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


Подписаться в Telegram



Экология

Nature Geoscience: Тысячелетия тому назад Нил был совсем другим
Nature Geoscience: Тысячелетия тому назад Нил был совсем другим

Исследователи изучили, как развивалась ре...

Ученые впервые количественно оценили пробелы в удалении углерода
Ученые впервые количественно оценили пробелы в удалении углерода

Новое исследование, проведенное Университетом ...

NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата
NREE: Виноградари всего мира бьют тревогу из-за изменения климата

Виноград, выращиваемый для производства в...

Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии

Исследователи из Токийского столичного ун...

Лаборатория Sandia нашла новые подсказки о потеплении в Арктике
Лаборатория Sandia нашла новые подсказки о потеплении в Арктике

Арктика, ледяная корона Земли, переживает клим...

EHP: Изменение климата может повлиять на вес детей при рождении
EHP: Изменение климата может повлиять на вес детей при рождении

Изменение климата может представлять большую о...

Natural Hazards: Смешанные леса защищают от цунами лучше монокультурных
Natural Hazards: Смешанные леса защищают от цунами лучше монокультурных

Прибрежные леса в Японии преимущественно ...

PTRSB: Эволюция может помешать людям решить проблему изменения климата
PTRSB: Эволюция может помешать людям решить проблему изменения климата

Центральные особенности эволюции человека могу...

Ртуть в тропиках — скрытая опасность
Ртуть в тропиках — скрытая опасность

Неоново-зеленые капюшоны, бирюзовые брюшки, на...

Открыт 3D-материал, способный расщеплять стойкий загрязнитель водоемов
Открыт 3D-материал, способный расщеплять стойкий загрязнитель водоемов

Бразильские исследователи протестировали фоток...

Physics of Fluids: Снежинки помогут ученым составлять прогноз погоды
Physics of Fluids: Снежинки помогут ученым составлять прогноз погоды

В ходе исследования, которое может улучшить пр...

Ученые выяснили, как получить менее липкий лед
Ученые выяснили, как получить менее липкий лед

Готовясь к зиме многие американцы столкну...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

JCI: Тяжелая форма COVID-19, возможно, связана с аутоантителами
JCI: Тяжелая форма COVID-19, возможно, связана с аутоантителами
Разгадана тайна снижения производительности перспективного катодного материала
Разгадана тайна снижения производительности перспективного катодного материала
Каждый четвертый родитель говорит, что ребенок не может уснуть из-за тревоги
Каждый четвертый родитель говорит, что ребенок не может уснуть из-за тревоги
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Nature Neuroscience: Ученые доказали, что терпение приносит свои плоды
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Познакомьтесь со странной амфибией, которая выкармливает своих детенышей молоком
Богатый белком рацион меняет микробиом кишечника и общее состояние организма
Богатый белком рацион меняет микробиом кишечника и общее состояние организма
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
Climate Dynamics: Вот как условия на суше влияют на муссонный климат Азии
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
В 40% случаев люди ошибочно называют сгенерированное фото человека реальным
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Nature Communications: Открыто революционное явление в жидких кристаллах
Высокоточные измерения ставят под сомнение наше понимание Цефеид
Высокоточные измерения ставят под сомнение наше понимание Цефеид
Останется ли магний снотворным для кузнечиков в результате потепления?
Останется ли магний снотворным для кузнечиков в результате потепления?
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Nature Communications: В мигрирующих нейронах найден конус роста
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Physical Review Letters: Ученые описали альтернативный магнетизм
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
Current Biology: Исследование брачного поведения показывает эволюцию влечения
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи
BioDesign Research: Для производства каротиноидов разработали специальные дрожжи

Новости компаний, релизы

Новая "Кантиана" поможет студентам быстрее адаптироваться к калининградскому климату
Российские ученые предложили тушить пожары с помощью газогидратного огнетушителя
Минералоги СПбГУ нашли на острове Диско возможный источник фосфора для возникновения первых живых организмов
Московский Политех внедряет ИИ для повышения эффективности приемной кампании и трансформации обучения
Астрономы СПбГУ узнали возраст одного из самых мощных метеорных потоков