Viac ako 200-ročná geologická záhada, „Problém dolomitu“, bola vyriešená
Problém dolomitu sa týka záhady, prečo tento bežný minerál, nachádzajúci sa v mnohých starých geologických formáciách, bolo takmer nemožné reprodukovať v laboratórnych podmienkach.
Po dvoch storočiach neúspešných pokusov vedcov pestovať bežný minerál v laboratórnych podmienkach, ktoré by zodpovedali jeho prírodnému vzniku, sa tímu výskumníkov z University of Michigan a Hokkaido University v Sappore, Japonsko, podarilo túto úlohu splniť. Ich úspech odhalil tajomstvo dlho známe v geológii ako „Problém dolomitu„.
Dolomit, kľúčový minerál v Dolomitoch v Taliansku, Niagarských vodopádoch, Bielych útesoch Dover a Hoodooch v Utahu, je hojne zastúpený v horninách starších ako 100 miliónov rokov, ale v mladších formáciách takmer chýba. Podľa Wenhao Suna, profesora materiálových vied a inžinierstva na University of Michigan, hovorí, že pochopenie procesov, ktoré umožňujú dolomitu rásť v prírodných podmienkach, by mohlo poskytnúť cenné informácie, aby sme vytvorili postupy, ktoré by sa dali aplikovať v modernom materiálovom inžinierstve pre rast krištáľov, ktoré sú používane v rôznych technológiách.
200-year-old geology mystery resolved | University of Michigan News – Image credit: Wenhao Sun, assistant professor of materials science and engineering, University of Michigan. After placing a tiny dolomite crystal in a … – https://t.co/zUNYoBBFxt
— The Postdoctoral (@thepostdoctoral) November 23, 2023
Kľúčom k úspešnému pestovaniu dolomitu v laboratóriu bolo odstránenie chýb vo štruktúre minerálu počas jeho rastu. Keď minerály vznikajú vo vode, atómy sa zvyčajne ukladajú na okraj rastúcej kryštálovej plochy. Rastový okraj dolomitu však pozostáva z striedajúcich sa radov vápnika a horčíka. Vápnik a horčík sa v prírode náhodne pripájajú k rastúcemu kryštálu dolomitu, často sa zasekávajú na nesprávne miesto a vytvárajú chyby, ktoré bránia tvorbe ďalších vrstiev dolomitu. Tento neporiadok spomaľuje rast dolomitu na minimum, čo znamená, že na vytvorenie jedinej vrstvy usporiadaného dolomitu by bolo potrebných 10 miliónov rokov.
Našťastie, tieto defekty nie sú nemenné. Keďže atómy v nesprávnej pozícii sú menej stabilné ako atómy na správnom mieste, sú prvé, ktoré sa rozpustia, keď je minerál umytý vodou. Opakované odstraňovanie týchto chýb, napríklad dažďom alebo prílivovými cyklami, umožňuje, aby sa vrstva dolomitu vytvorila len za niekoľko rokov.
Neprehliadnite
Výskumníci našli skratku, ako vypočítať energiu pre niektoré atómové usporiadania
Na presné simulovanie rastu dolomitu museli výskumníci vypočítať, ako silno alebo voľne sa atómy pripájajú k existujúcemu povrchu dolomitu. Najpresnejšie simulácie vyžadujú energiu každej jednotlivej interakcie medzi elektrónmi a atómami v rastúcom kryštáli. Takéto vyčerpávajúce výpočty zvyčajne vyžadujú obrovské množstvo výpočtového výkonu, ale softvér vyvinutý v Centre pre prediktívne štruktúrne materiálové vedy (PRISMS) na University of Michigan ponúkol skratku.
„Náš softvér vypočíta energiu pre niektoré atómové usporiadania, potom extrapoluje na predpovedanie energií pre iné usporiadania na základe symetrie kryštálovej štruktúry,“ povedal Brian Puchala, jeden z hlavných vývojárov softvéru a výskumný pracovník na katedre materiálových vied a inžinierstva na U-M.
Táto skratka umožnila simulovať rast dolomitu počas geologických časových stupníc.
„Každý atómový krok by normálne trval viac ako 5 000 CPU hodín na superpočítači. Teraz môžeme robiť rovnaký výpočet za 2 milisekundy na stolovom počítači,“ povedal Joonsoo Kim, doktorand materiálových vied a inžinierstva a prvý autor štúdie.
Oblasťami, kde sa dnes dolomit tvorí, sú miesta, ktoré sa pravidelne zaplavia a následne vyschnú, čo sa dobre zhoduje s teóriou Suna a Kima. Ale takéto dôkazy samé o sebe neboli dostatočne presvedčivé. Tu nastúpil Yuki Kimura, profesor materiálových vied z Hokkaido University, a Tomoya Yamazaki, postdoktorand v Kimurovej laboratórii. Otestovali novú teóriu s vlastnosťou transmisných elektrónových mikroskopov.
„Elektrónové mikroskopy zvyčajne používajú elektrónové lúče len na zobrazovanie vzoriek,“ povedal Kimura. „Avšak lúč môže tiež štiepiť vodu, čo vytvára kyselinu, ktorá môže spôsobiť rozpustenie kryštálov. Zvyčajne je to zlé pre zobrazovanie, ale v tomto prípade je rozpúšťanie presne to, čo sme chceli.“
Po umiestnení malého kryštálu dolomitu do roztoku vápnika a horčíka, Kimura a Yamazaki jemne pulzovali elektrónovým lúčom 4 000-krát počas dvoch hodín, čím sa rozpustili defekty. Po pulzoch bol dolomit viditeľne vyrastený približne o 100 nanometrov. Aj keď to bolo len 300 vrstiev dolomitu, v laboratóriu nikdy predtým nebolo vypestovaných viac ako päť vrstiev dolomitu.
Vedomosti získané z Problému dolomitu môžu pomôcť inžinierom vyrábať materiály vyššej kvality pre polovodiče, solárne panely, batérie a ďalšie technológie.
„V minulosti, keď chceli pestovatelia kryštálov vyrábať materiály bez chýb, snažili sa ich pestovať veľmi pomaly,“ povedal Sun. „Naša teória ukazuje, že je možné pestovať materiály bez chýb rýchlo, ak počas rastu pravidelne rozpúšťate defekty.“
Komentáre