“Το πρόβλημα του Δολομίτη” – Οι επιστήμονες λύνουν ένα γεωλογικό μυστήριο 200 ετών

Για να δημιουργηθούν βουνά από δολομίτη, ένα κοινό ορυκτό, πρέπει να λιώνεται περιοδικά. Αυτή η φαινομενικά αντιφατική ιδέα μπορεί να βοηθήσει να γίνουν άψογα τα νέα προϊόντα Ημιαγωγοί Κι αλλα.

Για δύο αιώνες, οι επιστήμονες απέτυχαν να παράγουν ένα κοινό ορυκτό στο εργαστήριο υπό συνθήκες που πιστεύεται ότι έχουν σχηματιστεί φυσικά. Τώρα, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν και Πανεπιστήμιο του Χοκάιντο Στο Σαπόρο, η Ιαπωνία επιτέλους πέτυχε ακριβώς αυτό, χάρη σε μια νέα θεωρία που αναπτύχθηκε μέσω ατομικών προσομοιώσεων.

Η επιτυχία τους λύνει ένα μακροχρόνιο γεωλογικό μυστήριο που ονομάζεται «Πρόβλημα των Δολομιτών». Ο Δολομίτης – ένα βασικό ορυκτό που βρίσκεται στα βουνά των Δολομιτών στην Ιταλία, στους καταρράκτες του Νιαγάρα, στους Λευκούς βράχους του Ντόβερ και στο Χουντού στη Γιούτα – είναι άφθονο σε βράχους Παλαιότερο από 100 εκατομμύρια χρόνιαΩστόσο, σχεδόν απουσιάζει σε νεαρούς σχηματισμούς.

Ο Wenhao Sun, επίκουρος καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, και ο Junsu Kim, διδακτορικός φοιτητής επιστήμης υλικών και μηχανικής στην ερευνητική ομάδα του καθηγητή Sun, δείχνουν πετρώματα δολομίτη από τη συλλογή του εργαστηρίου τους. Οι δύο επιστήμονες ανέπτυξαν μια θεωρία που θα μπορούσε τελικά να εξηγήσει ένα μυστήριο δύο αιώνων που περιβάλλει την αφθονία του δολομίτη στη Γη. Πιστοποίηση: Marcin Szczybanski, Senior Multimedia Storyteller, Michigan Engineering.

Η σημασία της κατανόησης της ανάπτυξης δολομίτη

«Εάν καταλάβουμε πώς αναπτύσσεται ο δολομίτης στη φύση, μπορεί να μάθουμε νέες στρατηγικές για να ενισχύσουμε την ανάπτυξη των κρυστάλλων των σύγχρονων τεχνολογικών υλικών», δήλωσε πρόσφατα ο Wenhao Sun, καθηγητής επιστήμης και μηχανικής υλικών στο Πανεπιστήμιο Dow και αντίστοιχος συγγραφέας της εργασίας. Δημοσιευτηκε σε Επιστήμες.

Το μυστικό για να αναπτυχθεί τελικά δολομίτης στο εργαστήριο ήταν η αφαίρεση ελαττωμάτων στη δομή του ορυκτού καθώς μεγάλωνε. Όταν σχηματίζονται ορυκτά στο νερό, τα άτομα συνήθως εναποτίθενται τακτοποιημένα στην άκρη της αναπτυσσόμενης κρυσταλλικής επιφάνειας. Ωστόσο, το άκρο ανάπτυξης του δολομίτη αποτελείται από εναλλασσόμενες σειρές ασβεστίου και μαγνησίου. Στο νερό, το ασβέστιο και το μαγνήσιο προσκολλώνται τυχαία στον αναπτυσσόμενο κρύσταλλο δολομίτη, συχνά εγκαθίστανται σε λάθος μέρος και δημιουργούν ελαττώματα που εμποδίζουν το σχηματισμό πρόσθετων στρωμάτων δολομίτη. Αυτή η διαταραχή επιβραδύνει την ανάπτυξη του δολομίτη σε μια ανίχνευση, που σημαίνει ότι θα χρειαστούν 10 εκατομμύρια χρόνια για να κατασκευαστεί μόνο ένα στρώμα διατεταγμένου δολομίτη.

Δολομίτη κρυσταλλική δομή ακμών. Σειρές μαγνησίου (πορτοκαλί μπάλες) εναλλάσσονται με σειρές ασβεστίου (μπλε μπάλες), διάσπαρτες με ανθρακικά (μαύρες δομές). Τα ροζ βέλη δείχνουν κατευθύνσεις ανάπτυξης κρυστάλλων. Το ασβέστιο και το μαγνήσιο συχνά συνδέονται εσφαλμένα στην αναπτυσσόμενη άκρη, αναστέλλοντας την ανάπτυξη του δολομίτη. Πηγή εικόνας: Junsu Kim, διδάκτορας στην Επιστήμη και τη Μηχανική Υλικών, Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν.

Ευτυχώς, αυτά τα ελαττώματα δεν επιδιορθώνονται στη θέση τους. Επειδή τα διαταραγμένα άτομα είναι λιγότερο σταθερά από τα άτομα στη σωστή θέση, είναι τα πρώτα που διαλύονται όταν το μέταλλο πλένεται με νερό. Η επανειλημμένη απομάκρυνση αυτών των ρηγμάτων – για παράδειγμα, με βροχή ή παλιρροιακούς κύκλους – επιτρέπει στο στρώμα του δολομίτη να σχηματιστεί μέσα σε λίγα μόνο χρόνια. Με την πάροδο του γεωλογικού χρόνου, τα βουνά δολομιτών μπορούν να συσσωρευτούν.

Προηγμένες τεχνικές προσομοίωσης

Για να προσομοιώσουν με ακρίβεια την ανάπτυξη του δολομίτη, οι ερευνητές χρειάστηκε να υπολογίσουν πόσο ισχυρά ή ασθενώς ήταν συνδεδεμένα τα άτομα στην επιφάνεια του υπάρχοντος δολομίτη. Πιο ακριβείς προσομοιώσεις απαιτούν την ενέργεια κάθε αλληλεπίδρασης μεταξύ ηλεκτρονίων και ατόμων στον αναπτυσσόμενο κρύσταλλο. Τέτοιοι εξαντλητικοί υπολογισμοί απαιτούν συνήθως τεράστια ποσά υπολογιστικής ισχύος, αλλά το λογισμικό που αναπτύχθηκε στο Κέντρο Πρόβλεψης Δομικών Υλικών του Πανεπιστημίου του Μέριλαντ (PRISMS) έχει παράσχει μια συντόμευση.

«Το λογισμικό μας υπολογίζει την ενέργεια ορισμένων ατομικών διατάξεων και στη συνέχεια τις προεκθέτει για να προβλέψει τις ενέργειες άλλων διατάξεων με βάση τη συμμετρία της κρυσταλλικής δομής», δήλωσε ο Brian Buchala, ένας από τους κύριους προγραμματιστές του προγράμματος και συνεργάτης ερευνητής στο Πανεπιστήμιο. του τμήματος του Μέριλαντ. Επιστήμη και μηχανική υλικών.

Αυτή η συντόμευση κατέστησε δυνατή την προσομοίωση της ανάπτυξης δολομίτη σε γεωλογικές χρονικές κλίμακες.

Ο δολομίτης είναι ένα ορυκτό τόσο κοινό στα αρχαία πετρώματα που σχηματίζει βουνά όπως η ομώνυμη οροσειρά στη βόρεια Ιταλία. Όμως ο δολομίτης είναι σπάνιος σε νεότερους βράχους και δεν μπορεί να κατασκευαστεί σε εργαστήριο υπό τις συνθήκες στις οποίες σχηματίστηκε φυσικά. Μια νέα θεωρία βοήθησε τους επιστήμονες να αναπτύξουν το ορυκτό στο εργαστήριο σε κανονική θερμοκρασία και πίεση για πρώτη φορά και θα μπορούσε να βοηθήσει στην εξήγηση της σπανιότητας του δολομίτη σε νεότερους βράχους. Πηγή εικόνας: Francesca.z73 μέσω Wikimedia Commons.

“Κάθε ατομικό βήμα διαρκεί συνήθως περισσότερες από 5.000 ώρες CPU σε έναν υπερυπολογιστή. Τώρα, μπορούμε να κάνουμε τον ίδιο υπολογισμό σε 2 χιλιοστά του δευτερολέπτου σε έναν επιτραπέζιο υπολογιστή”, δήλωσε ο Junsu Kim, φοιτητής διδάκτορα στην επιστήμη και τη μηχανική υλικών και πρώτος συγγραφέας της μελέτης.

Δοκιμή πρακτικής εφαρμογής και θεωρίας

Οι λίγες περιοχές όπου σήμερα σχηματίζεται δολομίτης πλημμυρίζουν κατά διαστήματα και αργότερα στεγνώνουν, κάτι που συμφωνεί καλά με τη θεωρία του Sun και του Kim. Αλλά τέτοια στοιχεία από μόνα τους δεν ήταν επαρκή για να είναι απολύτως πειστικά. Συμμετέχουν ο Yuki Kimura, καθηγητής επιστήμης υλικών από το Πανεπιστήμιο Hokkaido, και ο Tomoya Yamazaki, ένας μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του Kimura. Δοκίμασαν τη νέα θεωρία χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικά μικροσκόπια μετάδοσης.

«Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια συνήθως χρησιμοποιούν μόνο δέσμες ηλεκτρονίων για την απεικόνιση δειγμάτων», είπε ο Kimura. «Ωστόσο, η δέσμη μπορεί επίσης να διασπάσει το νερό, κάνοντας… θυμώνω Κάτι που μπορεί να προκαλέσει τη διάλυση των κρυστάλλων. Αυτό είναι συνήθως κακό για τη φωτογραφία, αλλά σε αυτή την περίπτωση, η αποσύνθεση είναι ακριβώς αυτό που θέλαμε.

Αφού τοποθέτησαν έναν μικρό κρύσταλλο δολομίτη σε διάλυμα ασβεστίου και μαγνησίου, οι Kimura και Yamazaki πάλλησαν απαλά τη δέσμη ηλεκτρονίων 4.000 φορές σε διάστημα δύο ωρών, αφαιρώντας τα ελαττώματα. Μετά τους παλμούς, ο δολομίτης παρατηρήθηκε να αυξάνεται κατά περίπου 100 νανόμετρα, περίπου 250.000 φορές μικρότερος από μια ίντσα. Αν και αυτά ήταν μόνο 300 στρώματα δολομίτη, δεν είχαν αναπτυχθεί ποτέ σε εργαστήριο περισσότερα από πέντε στρώματα δολομίτη.

Τα διδάγματα από το πρόβλημα του δολομίτη θα μπορούσαν να βοηθήσουν τους μηχανικούς να κατασκευάσουν υλικά υψηλότερης ποιότητας για ημιαγωγούς, ηλιακούς συλλέκτες, μπαταρίες και άλλη τεχνολογία.

«Στο παρελθόν, οι καλλιεργητές κρυστάλλων που ήθελαν να κάνουν άψογα υλικά προσπαθούσαν να τα καλλιεργήσουν πολύ αργά», είπε ο Sun. “Η θεωρία μας δείχνει ότι μπορείτε να καλλιεργήσετε γρήγορα υλικά χωρίς ελαττώματα, εάν διαλύετε τα ελαττώματα περιοδικά κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης.”

Αναφορά: «Η τήξη επιτρέπει την ανάπτυξη των κρυστάλλων δολομίτη σε συνθήκες κοντά στο περιβάλλον» από τους Junsu Kim, Yuki Kimura, Brian Buchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker και Wenhao Sun, 23 Νοεμβρίου 2023, Επιστήμες.
doi: 10.1126/science.adi3690

Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από ένα New Doctoral Investigator Grant από την American Chemical Society PRF, το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ και την Ιαπωνική Εταιρεία για την Προώθηση της Επιστήμης.