Професор Веньхао Сун демонструє доломіт зі своєї особистої колекції каменів. Sun вивчає зростання кристалів металів з точки зору матеріалознавства. Розуміючи, як атоми об’єднуються, щоб утворити природні мінерали, він вважає, що ми можемо розкрити основні механізми росту кристалів, які можна використовувати для більш швидкого та ефективного виготовлення функціональних матеріалів. Авторство: Марцін Щибанскі, старший мультимедійний оповідач, Michigan Engineering.
Щоб створити гори доломіту, звичайного мінералу, його необхідно періодично розплавляти. Ця, здавалося б, суперечлива концепція може допомогти зробити нові продукти бездоганними Напівпровідники І більше.
Протягом двох століть вченим не вдавалося створити звичайний мінерал у лабораторії в умовах, які, як вважають, утворилися природним шляхом. Тепер команда дослідників з Мічиганського університету та Університет Хоккайдо У Саппоро Японія нарешті досягла саме цього завдяки новій теорії, розробленій за допомогою атомного моделювання.
Їхній успіх розгадує давню геологічну таємницю під назвою «проблема доломіту». Доломіт — ключовий мінерал, знайдений у Доломітових горах в Італії, Ніагарському водоспаді, Білих скелях Дувра та Худу в Юті — міститься у великій кількості в гірських породах. Вік понад 100 мільйонів роківОднак у молодих утвореннях він майже відсутній.
Венхао Сун, доцент кафедри матеріалознавства та інженерії Мічіганського університету, і Джунсу Кім, докторант з матеріалознавства та інженерії дослідницької групи професора Суня, демонструють доломітові породи з колекції своєї лабораторії. Двоє вчених розробили теорію, яка могла б нарешті пояснити двостолітню таємницю про велику кількість доломіту на Землі. Авторство: Марцін Щибанскі, старший мультимедійний оповідач, Michigan Engineering.
Важливість розуміння росту доломіту
«Якщо ми зрозуміємо, як доломіт росте в природі, ми можемо вивчити нові стратегії для посилення росту кристалів сучасних технологічних матеріалів», — сказав нещодавно Веньхао Сун, професор матеріалознавства та інженерії в Університеті Доу та відповідний автор статті. Опубліковано в наук.
Секрет остаточного вирощування доломіту в лабораторії полягав у видаленні дефектів у структурі мінералу під час його зростання. Коли мінерали утворюються у воді, атоми зазвичай акуратно осідають на краю зростаючої кристалічної поверхні. Проте межа росту доломіту складається з чергування рядів кальцію та магнію. У воді кальцій і магній випадковим чином прикріплюються до зростаючого кристала доломіту, часто осідаючи в неправильному місці та створюючи дефекти, які перешкоджають утворенню додаткових шарів доломіту. Це порушення сповільнює ріст доломіту до повзання, тобто знадобиться 10 мільйонів років, щоб створити лише один шар впорядкованого доломіту.
Краєва структура кристалів доломіту. Ряди магнію (помаранчеві кульки) чергуються з рядами кальцію (блакитні кульки), перемежовуються карбонатами (чорні структури). Рожеві стрілки показують напрямки росту кристалів. Кальцій і магній часто неправильно зв’язуються з краєм росту, зупиняючи ріст доломіту. Джерело зображення: Джунсу Кім, докторант кафедри матеріалознавства та інженерії Мічиганського університету.
На щастя, ці дефекти не фіксуються на місці. Оскільки невпорядковані атоми менш стабільні, ніж атоми в правильному положенні, вони першими розчиняються, коли метал промивають водою. Багаторазове змивання цих розломів — наприклад, дощем або циклами припливів — дозволяє сформувати шар доломіту всього за кілька років. Протягом геологічного часу доломітові гори можуть накопичуватися.
Розширені методи моделювання
Щоб точно змоделювати зростання доломіту, дослідникам потрібно було обчислити, наскільки сильно чи слабко атоми були прикріплені до поверхні існуючого доломіту. Для більш точного моделювання потрібна енергія кожної взаємодії між електронами та атомами у зростаючому кристалі. Такі вичерпні розрахунки зазвичай вимагають величезної обчислювальної потужності, але програмне забезпечення, розроблене в Центрі прогнозування конструкційних матеріалознавства Університету Меріленда (PRISMS), забезпечило короткий шлях.
«Наше програмне забезпечення обчислює енергію деяких структур атомів, а потім екстраполює їх, щоб передбачити енергії інших структур на основі симетрії кристалічної структури», — сказав Брайан Бучала, один із провідних розробників програми та науковий співробітник університету. департаменту Меріленд. Матеріалознавство та інженерія.
Цей ярлик дозволив симулювати ріст доломіту в геологічних масштабах часу.
Доломіт — мінерал, настільки поширений у стародавніх породах, що він утворює гори, такі як однойменний гірський масив на півночі Італії. Але доломіт рідко зустрічається в молодших породах, і його неможливо виготовити в лабораторії в умовах, в яких він утворився природним шляхом. Нова теорія вперше допомогла вченим виростити мінерал у лабораторії при нормальній температурі та тиску та могла б допомогти пояснити дефіцит доломіту в молодих породах. Джерело зображення: Francesca.z73 через Wikimedia Commons.
“Кожен атомарний крок зазвичай займає більше 5000 ЦП-годин на суперкомп'ютері. Тепер ми можемо зробити те саме обчислення за 2 мілісекунди на настільному комп'ютері”, – сказав Джунсу Кім, докторант матеріалознавства та інженерії та перший автор дослідження.
Практичне застосування та перевірка теорії
Кілька територій, де сьогодні утворюється доломіт, періодично затоплюються, а потім висихають, що добре узгоджується з теорією Суна та Кіма. Але лише таких доказів було недостатньо, щоб бути повністю переконливими. З’являються Юкі Кімура, професор матеріалознавства з Університету Хоккайдо, і Томоя Ямазакі, докторант у лабораторії Кімури. Вони перевірили нову теорію за допомогою трансмісійних електронних мікроскопів.
«Електронні мікроскопи зазвичай використовують лише електронні промені для зображення зразків», — сказав Кімура. «Однак промінь також може розщеплювати воду, роблячи… кислий Що може призвести до розчинення кристалів. Зазвичай це погано для фотографії, але в цьому випадку розкладання саме те, що ми хотіли.
Помістивши невеликий кристал доломіту в розчин кальцію і магнію, Кімура і Ямазакі обережно поштовхували електронний промінь 4000 разів протягом двох годин, видаляючи дефекти. Після імпульсів було видно, що доломіт виріс приблизно на 100 нанометрів, приблизно в 250 000 разів менше ніж дюйм. Хоча це було лише 300 шарів доломіту, раніше в лабораторії не вирощувалося більше п’яти шарів доломіту.
Уроки, отримані з проблеми доломіту, можуть допомогти інженерам виробляти якісніші матеріали для напівпровідників, сонячних панелей, батарей та інших технологій.
«У минулому виробники кристалів, які хотіли виробляти бездоганні матеріали, намагалися вирощувати їх дуже повільно», — сказав Сан. «Наша теорія показує, що ви можете швидко вирощувати бездефектні матеріали, якщо періодично розчиняти дефекти під час росту».
Довідка: Джунсу Кім, Юкі Кімура, Брайан Бучала, Томоя Ямазакі, Удо Беккер і Венхао Сан «Розплавлення дозволяє рости кристалам доломіту за умов, близьких до навколишнього середовища», 23 листопада 2023 р. наук.
doi: 10.1126/science.adi3690
Дослідження було профінансовано грантом New Doctoral Investigator Grant від Американського хімічного товариства PRF, Міністерства енергетики США та Японського товариства сприяння науці.
“Професійний вирішувач проблем. Тонко чарівний любитель бекону. Геймер. Завзятий алкогольний ботанік. Музичний трейлер”
