Przez 200 lat naukowcom nie udało się wyhodować w laboratorium zwykłego minerału w warunkach, które uważa się za naturalne. Teraz zespołowi naukowców z Uniwersytetu Michigan i Uniwersytetu Hokkaido w Sapporo w Japonii w końcu udało się tego dokonać dzięki nowej teorii opracowanej na podstawie symulacji atomowych.
Ich sukces rozwiązuje długoletnią zagadkę geologiczną zwaną „problemem dolomitów”. Dolomit – kluczowy minerał występujący w Dolomitach we Włoszech, wodospadzie Niagara, Białych Klifach w Dover i Hoodoos w Utah – występuje bardzo obficie w skałach starszych niż 100 milionów lat, ale prawie nie występuje w młodszych formacjach.
„Jeśli zrozumiemy, jak dolomit rośnie w przyrodzie, być może nauczymy się nowych strategii promowania wzrostu kryształów w nowoczesnych materiałach technologicznych” – powiedział Wenhao Sun, profesor nauk o materiałach i inżynierii materiałów Dow Early Career na UM oraz współautor opublikowanego artykułu dzisiaj w Nauki.
Sekretem ostatecznej uprawy dolomitu w laboratorium było usuwanie defektów w strukturze minerałów w miarę jego wzrostu. Kiedy minerały tworzą się w wodzie, atomy zwykle osadzają się równomiernie na krawędzi rosnącej powierzchni kryształu. Jednakże krawędź wzrostu dolomitu składa się z naprzemiennych rzędów wapnia i magnezu. W wodzie wapń i magnez będą losowo przyłączać się do rosnącego kryształu dolomitu, często osiadając w niewłaściwym miejscu i tworząc defekty uniemożliwiające tworzenie się dodatkowych warstw dolomitu. Zaburzenie to spowalnia wzrost dolomitu do granic możliwości, co oznacza, że wytworzenie tylko jednej warstwy uporządkowanego dolomitu zajęłoby 10 milionów lat.
Na szczęście wady te nie są trwałe. Ponieważ nieuporządkowane atomy są mniej stabilne niż atomy we właściwej pozycji, jako pierwsze rozpuszczają się, gdy minerał przemywa się wodą. Powtarzające się spłukiwanie tych defektów – na przykład podczas cykli deszczu lub pływów – pozwala na utworzenie warstwy dolomitu w ciągu zaledwie kilku lat. W czasie geologicznym mogą gromadzić się góry dolomitu.
Aby dokładnie symulować wzrost dolomitu, badacze musieli obliczyć, jak mocno lub luźno atomy będą przyczepiać się do istniejącej powierzchni dolomitu. Najdokładniejsze symulacje wymagają energii każdej pojedynczej interakcji pomiędzy elektronami i atomami w rosnącym krysztale. Takie wyczerpujące obliczenia zwykle wymagają ogromnej mocy obliczeniowej, ale oprogramowanie opracowane w Centrum Nauki o Materiałach Predykcyjnych Strukturalnych (PRISMS) Uniwersytetu UM zaproponowało skrót.
„Nasze oprogramowanie oblicza energię niektórych układów atomowych, a następnie dokonuje ekstrapolacji, aby przewidzieć energie innych układów w oparciu o symetrię struktury kryształu” – powiedział Brian Puchala, jeden z głównych twórców oprogramowania i współpracownik naukowy w Wydziale Materiałów UM Nauka i inżynieria.
Skrót ten umożliwił symulację wzrostu dolomitu w geologicznych skalach czasowych.
„Każdy krok atomowy normalnie zajmowałby ponad 5000 godzin procesora na superkomputerze. Teraz możemy wykonać te same obliczenia na komputerze stacjonarnym w ciągu 2 milisekund” – powiedział Joonsoo Kim, doktorant w dziedzinie nauk o materiałach i inżynierii oraz pierwszy autor badania.
Nieliczne obszary, na których obecnie tworzy się dolomit, są okresowo zalewane, a później wysychają, co dobrze pokrywa się z teorią Suna i Kima. Jednak same dowody nie wystarczyły, aby były w pełni przekonujące. Wchodzą Yuki Kimura, profesor nauk o materiałach na Uniwersytecie Hokkaido, i Tomoya Yamazaki, badaczka ze stopniem doktora w laboratorium Kimury. Przetestowali nową teorię za pomocą transmisyjnych mikroskopów elektronowych.
„Mikroskopy elektronowe zwykle wykorzystują wiązki elektronów tylko do obrazowania próbek” – powiedział Kimura. „Jednak wiązka może również rozszczepić wodę, tworząc kwas, który może spowodować rozpuszczenie kryształów. Zwykle jest to niekorzystne dla obrazowania, ale w tym przypadku rozpuszczenie było dokładnie tym, czego chcieliśmy”.
Po umieszczeniu maleńkiego kryształu dolomitu w roztworze wapnia i magnezu Kimura i Yamazaki delikatnie pulsowali wiązką elektronów 4000 razy w ciągu dwóch godzin, rozpuszczając defekty. Po impulsach zaobserwowano, że dolomit urósł o około 100 nanometrów, czyli około 250 000 razy mniej niż cal. Chociaż było to tylko 300 warstw dolomitu, nigdy wcześniej w laboratorium nie wyhodowano więcej niż pięć warstw dolomitu.
Wnioski wyciągnięte z problemu Dolomitu mogą pomóc inżynierom w wytwarzaniu materiałów wyższej jakości do półprzewodników, paneli słonecznych, baterii i innych technologii.
„W przeszłości hodowcy kryształów, którzy chcieli wytwarzać materiały pozbawione wad, próbowali je hodować bardzo powoli” – powiedział Sun. „Nasza teoria pokazuje, że można szybko wyhodować materiały wolne od defektów, jeśli okresowo rozpuszcza się defekty podczas wzrostu”.
Badania zostały sfinansowane ze środków grantu PRF New Doctoral Investigator Amerykańskiego Towarzystwa Chemicznego, Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych oraz Japońskiego Towarzystwa Promocji Nauki.