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

Российские ученые нашли на Эльбрусе цинк и медь
Российские ученые нашли на Эльбрусе цинк и медь

Биологи изучили ледники Эльбруса, и ...

Ноша последствий изменения климата ляжет на хрупкие женские плечи
Ноша последствий изменения климата ляжет на хрупкие женские плечи

Согласно новому исследованию, опубликованному ...

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...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

В России предложили новую классификацию камней в почках по структуре и составу
В России предложили новую классификацию камней в почках по структуре и составу
ACS Nano: Благодаря 3D-печати ученые впервые увидели, как светятся наноструктуры
ACS Nano: Благодаря 3D-печати ученые впервые увидели, как светятся наноструктуры
Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче
Ученые МИСИС выяснили, как сделать суперконденсаторы ещё круче
Исследование МГПУ объясняет, как справиться с одиночеством в мегаполисе
Исследование МГПУ объясняет, как справиться с одиночеством в мегаполисе
Как музыка влияет на эмоции дошкольников: открытие психологов МГУ
Как музыка влияет на эмоции дошкольников: открытие психологов МГУ
Студент из Владивостока придумал товарные ценники на основе электронных чернил
Студент из Владивостока придумал товарные ценники на основе электронных чернил
Microgravity: Полет на Марс может не состояться из-за просроченных лекарств
Microgravity: Полет на Марс может не состояться из-за просроченных лекарств
Археологи СФУ нашли артефакты первых русских поселенцев Красноярска
Археологи СФУ нашли артефакты первых русских поселенцев Красноярска
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Горные деревья спасаются от потепления, сползая и поднимаясь по склонам
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Transportation Research: Выбросы абразива от поездов вызывают беспокойство
Ученые из СПбГУТ отправились в научную экспедицию в Арктику
Ученые из СПбГУТ отправились в научную экспедицию в Арктику
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Казанские ученые заявили, что адаптивность молочного скота важнее генетики
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
Звездный магнетизм может указывать на потенциальную обитаемость экзопланеты
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
IEEE Access: Актуатор в реабилитационных перчатках восстановит движение пальцев
Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита
Scientific Reports: Экологичное лечение спасает яйца кальмаров от паразита

Новости компаний, релизы

Конференция по актуальным проблемам водоподготовки
Ученые ТПУ в составе международной коллаборации выяснили, что смертность от болезней сердца в мире снизилась на 35% за после...
ПМЭФ-2024: СПбГУ представил систему контроля на основе искусственного интеллекта
ИТ: тренды индустрии и рынка труда
Медики СПбГУ создали линию мышей для разработки новых методов лечения слепоты у человека