В течение 200 лет ученым не удавалось вырастить в лаборатории минерал в тех условиях, в которых он образуется естественным путем. Группе исследователей из Мичиганского университета и Университета Хоккайдо в Саппоро (Япония) смогла это сделать благодаря новой теории, разработанной на основе атомного моделирования, сообщается на сайте университета. Результаты исследования были опубликованы в журнале Science.
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 способы, способствующие росту кристаллов современных технологических материалов», – сказал Вэньхао Сунь (Wenhao Sun), профессор кафедры материаловедения и инженерии Университета штата Массачусетс.
Секрет выращивания доломита в лаборатории заключался в устранении дефектов в его структуре в процессе 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, образуя дефекты, препятствующие формированию дополнительных слоев минерала. Такое нарушение замедляет его рост, 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.
Для точного моделирования роста доломита ученым необходимо рассчитать, насколько прочно или слабо атомы будут прикрепляться к существующей поверхности. Наиболее точное прогнозирование 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), позволяет сократить это время.
«Наше программное обеспечение рассчитывает энергию для некоторых атомных соединений, а затем экстраполирует ее для предсказания энергий других соединений на основе симметрии кристаллической структуры. 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», – сказал Брайан Пучала, один из ведущих разработчиков программного обеспечения.
Те немногие районы, где сегодня образуется доломит, периодически затапливаются, а затем высыхают, что согласуется с теорией ученых. Однако одного доказательства было недостаточно. На помощь пришли специалисты, которые проверили теорию с помощью просвечивающих электронных микроскопов.
Поместив крошечный кристалл доломита в раствор кальция и магния, ученые в течение двух часов осторожно давали импульсы электронного пучка 4 000 раз, растворяя дефекты. После этого 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 выращивалось более пяти слоев.
Разгадка «доломитовой проблемы» поможет инженерам в производстве более качественных материалов для полупроводников, солнечных батарей, аккумуляторов и других технологий.
[Фото: Marcin Szczepanski, Lead Multimedia Storyteller, Michigan Engineering.]
