Tajemnica, która prześladowała inżynierię materiałową od 200 lat, została wreszcie rozwiązana. Minerał występujący w wielu starożytnych formacjach skalnych zdecydowanie oparł się wysiłkom naukowców zmierzającym do jego wyhodowania w laboratorium, chociaż udało im się odtworzyć warunki, w których ich zdaniem ukształtował się w naturze. Teraz zespół rozwiązał problem i po raz pierwszy odkrył, jak szybko hodować kryształy dolomitu.
Dolomit to bardzo ważny minerał, jest go pełno łańcuch górski Został nazwany jego imieniem. Oprócz tych szczytów we włoskich Alpach dolomit występuje powszechnie w Białych Klifach Dover, Hoods of Utah i innych skałach sprzed ponad 100 milionów lat. W rzeczywistości stanowi około 30% minerałów tego typu – węglanów – w skorupie ziemskiej, ale jest zauważalnie nieobecny w nowszych skałach.
Pomimo dokładnych prób odtworzenia jego naturalnych warunków wzrostu, naukowcom przez dwa stulecia nie udało się wyprodukować w laboratorium kryształów dolomitu. Aby rozwiązać zagadkę, musieli wrócić do podstaw.
„Jeśli zrozumiemy, jak dolomit rośnie w naturze, możemy nauczyć się nowych strategii zwiększania wzrostu kryształów w nowoczesnych materiałach technologicznych” – stwierdził w badaniu korespondent Wenhao Sun z Uniwersytetu Michigan. oświadczenie.
Profesor Wenhao Sun prezentuje skały dolomitowe ze swojej osobistej kolekcji.
Zdjęcie: Marcin Szczybanski, starszy narrator multimedialny, Michigan Engineering
Kryształy dolomitu powstają w czasach geologicznych w wyniku akumulacji naprzemiennych warstw wapnia i magnezu. Wydaje się to dość proste, choć czasochłonne, ale jest pewien haczyk. Gdy jest woda, atomy wapnia i magnezu mogą losowo przylgnąć do krawędzi wzrostu kryształów, często w niewłaściwym miejscu. Uskoki te uniemożliwiają prawidłowe uformowanie się naprzemiennych warstw, dlatego utworzenie jednej uporządkowanej warstwy skał dolomitowych zajmuje tak dużo czasu – 10 milionów lat.
Ponieważ Sun i zespół nie mieli 10 milionów lat na czekanie, sięgnęli po potężne oprogramowanie do symulacji wszystkich możliwych interakcji zachodzących między atomami w rosnącym krysztale dolomitu.
„Każdy krok atomowy zajmuje zazwyczaj ponad 5000 godzin procesora na superkomputerze. Teraz możemy wykonać te same obliczenia na komputerze stacjonarnym w ciągu 2 milisekund” – powiedział pierwszy autor Junsu Kim.
Zespół oparł się na teorii. Dolomit może rosnąć szybciej, jeśli zostanie poddany cyklom, w których regularnie występuje niższe stężenie wapnia i magnezu. Większość kryształów dobrze rośnie w roztworach przesyconych, gdzie ich składniki atomowe są obecne w bardzo dużych ilościach. Jeśli chodzi o dolomit, prowadzi to tylko do większej liczby defektów i spowalnia wszystko.
Aby przetestować teorię, zespół skonsultował się ze współpracownikami z Uniwersytetu Hokkaido i zaprojektował genialny eksperyment z wykorzystaniem transmisyjnej mikroskopii elektronowej.
„Mikroskopy elektronowe zazwyczaj do obrazowania próbek wykorzystują wyłącznie wiązki elektronów” – wyjaśniła Yuki Kimura, profesor nauk o materiałach na Uniwersytecie Hokkaido. „Jednak wiązka może również rozszczepiać wodę, wytwarzając kwas, który może spowodować rozpuszczenie kryształów. Zwykle jest to niekorzystne dla obrazowania, ale w tym przypadku rozpuszczenie było dokładnie tym, czego chcieliśmy.”
Mały kryształ dolomitu w roztworze wapnia i magnezu poddano działaniu wiązki elektronów, która pulsowała 4000 razy w ciągu dwóch godzin, aby rozpocząć rozpuszczanie kryształu. Kiedy wiązka jest wyłączona, otaczający roztwór szybko koryguje się do stanu bardziej nasyconego.
Tylko niewielką ilość – około 2 miliardowych litra – roztworu wapnia i magnezu dodaje się do uchwytu próbki transmisyjnego mikroskopu elektronowego (na zdjęciu w tle).
Zdjęcie: Wenhao Sun, profesor nauk o materiałach i inżynierii materiałów Dow na Uniwersytecie Michigan
To działa jak magia. Po tej obróbce zespół z radością zauważył, że kryształ urósł o około 100 nanometrów. To może nie wydawać się dużo, ale reprezentuje 300 nowo utworzonych warstw dolomitu. Najwięcej, co udało się wcześniej osiągnąć w laboratorium, to pięć.
Wyniki są również zgodne z tym, co zaobserwowano w naturze. Obecnie istnieje tylko kilka miejsc, w których tworzy się dolomit, ale we wszystkich występują cykle powodzi, po których następują bardziej suche warunki.
Rozwiązanie problemu dolomitu jest poważnym osiągnięciem. „To odkrycie otwiera drzwi do zbadania procesu geochemicznego, który wpłynął na powstawanie masywnych dolomitów w świecie przyrody” – napisał w artykule Juan Manuel García Ruiz, który nie był bezpośrednio zaangażowany w prace. Punkt widzenia towarzyszące badaniu.
Co więcej, nauka szybkiego hodowania kryształów wolnych od defektów może mieć ważne zastosowania w produkcji wielu istotnych komponentów produktów, takich jak półprzewodniki, panele słoneczne i baterie.
„W przeszłości hodowcy kryształów, którzy chcieli wytwarzać nieskazitelne materiały, próbowali je hodować bardzo powoli” – powiedział Sun. „Nasza teoria pokazuje, że można szybko wyhodować materiały wolne od defektów, jeśli okresowo rozpuszcza się defekty w trakcie wzrostu”.
Badanie zostało opublikowane w Nauki.
„Nagradzany beeraholik. Fan Twittera. Podróżnik. Miłośnik jedzenia.