Science: Ученые разгадали геологическую загадку, которой 200 лет

В течение 200 лет ученым не удавалось вырастить в лаборатории обычный минерал в тех условиях, в которых, как считается, он образовался естественным путем. Теперь группе исследователей из Мичиганского университета и Университета Хоккайдо в Саппоро, Япония, удалось это сделать благодаря новой теории, разработанной на основе атомного моделирования.

Их успех позволил разрешить давнюю геологическую загадку, получившую название «доломитовой проблемы». Доломит — ключевой минерал Доломитовых гор в Италии, Ниагарского водопада, Белых скал Дувра и Худу в штате Юта — очень распространен в породах старше 100 млн лет, но практически отсутствует в более молодых образованиях.

Если мы поймем, как доломит растет в природе, то, возможно, узнаем новые стратегии, способствующие росту кристаллов современных технологических материалов, — сказал Вэньхао Сунь (Wenhao Sun), профессор кафедры материаловедения и инженерии Университета штата Массачусетс и соответствующий автор статьи, опубликованной сегодня в журнале Science.

Секрет окончательного выращивания доломита в лаборатории заключался в устранении дефектов в структуре минерала в процессе его роста. Когда минералы формируются в воде, атомы обычно оседают аккуратно на краю поверхности растущего кристалла. Однако край роста доломита состоит из чередующихся рядов кальция и магния. В воде кальций и магний беспорядочно прикрепляются к растущему кристаллу доломита, часто попадая не туда, куда нужно, и образуя дефекты, препятствующие формированию дополнительных слоев доломита. Такое нарушение замедляет рост доломита, то есть для создания одного слоя упорядоченного доломита потребуется 10 млн лет.

К счастью, эти дефекты не фиксируются на месте. Поскольку неупорядоченные атомы менее стабильны, чем атомы в правильном положении, они первыми растворяются при промывке минерала водой. Многократное вымывание этих дефектов — например, дождями или приливами — позволяет сформировать слой доломита всего за несколько лет. Со временем могут накопиться горы доломита.

Для точного моделирования роста доломита исследователям необходимо рассчитать, насколько прочно или слабо атомы будут прикрепляться к существующей доломитовой поверхности. Наиболее точное моделирование требует учета энергии каждого взаимодействия между электронами и атомами в растущем кристалле. Такие исчерпывающие расчеты обычно требуют огромных вычислительных мощностей, но программное обеспечение, разработанное в Центре предсказательного структуроведения материалов (PRISMS) университета U-M, позволяет сократить время.

Наше программное обеспечение рассчитывает энергию для некоторых атомных соединений, а затем экстраполирует ее для предсказания энергий других соединений на основе симметрии кристаллической структуры, — сказал Брайан Пучала, один из ведущих разработчиков программного обеспечения и младший научный сотрудник кафедры материаловедения и инженерии университета.

Это позволило смоделировать рост доломита в геологическом масштабе времени.

Каждый атомный шаг обычно занимает более 5 000 процессорных часов на суперкомпьютере. Теперь мы можем выполнить тот же расчет за 2 миллисекунды на настольном компьютере, — говорит Джунсу Ким, докторант факультета материаловедения и инженерии и первый автор исследования.

Те немногие районы, где сегодня образуется доломит, периодически затапливаются, а затем высыхают, что хорошо согласуется с теорией Суна и Кима. Однако одного такого доказательства было недостаточно для полной убедительности. На помощь пришли Юки Кимура, профессор материаловедения из Университета Хоккайдо, и Томоя Ямадзаки, постдокторант из лаборатории Кимуры. Они проверили новую теорию с помощью причуды просвечивающих электронных микроскопов.

В электронных микроскопах электронные пучки обычно используются только для получения изображения образцов, — сказал Кимура.

Однако пучок может также расщеплять воду, в результате чего образуется кислота, способная вызвать растворение кристаллов. Обычно это плохо для получения изображений, но в данном случае растворение — это именно то, что нам нужно.

Поместив крошечный кристалл доломита в раствор кальция и магния, Кимура и Ямадзаки в течение двух часов осторожно подавали импульсы электронного пучка 4 000 раз, растворяя дефекты. После импульсов было видно, что доломит вырос примерно на 100 нанометров — примерно в 250 000 раз меньше дюйма. Хотя в результате было получено всего 300 слоев доломита, никогда ранее в лаборатории не выращивали более пяти слоев доломита.

Уроки, извлеченные из «доломитовой проблемы», могут помочь инженерам в производстве более качественных материалов для полупроводников, солнечных батарей, аккумуляторов и других технологий.

В прошлом специалисты по выращиванию кристаллов, которые хотели получить материалы без дефектов, пытались выращивать их очень медленно, — сказал Сун.

Наша теория показывает, что бездефектные материалы можно выращивать быстро, если периодически растворять дефекты в процессе роста.

24.11.2023