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

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...

Ртуть в тропиках — скрытая опасность
Ртуть в тропиках — скрытая опасность

Неоново-зеленые капюшоны, бирюзовые брюшки, на...

Открыт 3D-материал, способный расщеплять стойкий загрязнитель водоемов
Открыт 3D-материал, способный расщеплять стойкий загрязнитель водоемов

Бразильские исследователи протестировали фоток...

Physics of Fluids: Снежинки помогут ученым составлять прогноз погоды
Physics of Fluids: Снежинки помогут ученым составлять прогноз погоды

В ходе исследования, которое может улучшить пр...

Ученые выяснили, как получить менее липкий лед
Ученые выяснили, как получить менее липкий лед

Готовясь к зиме многие американцы столкну...

Механические устройства для очистки водоемов от пластика ненадежны
Механические устройства для очистки водоемов от пластика ненадежны

Международная группа ученых предостерегла от&n...

Science: Открытие белков-диригентов позволит вывести неприхотливые культуры
Science: Открытие белков-диригентов позволит вывести неприхотливые культуры

Исследователи обнаружили белок, который уплотн...

«Тунберг это не понравится, но счастливые свинки важнее климата»
«Тунберг это не понравится, но счастливые свинки важнее климата»

Производство свинины вызывает обеспокоенность ...

Поиск на сайте

Знатоки клуба инноваций


ТОП - Новости мира, инновации

PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
PRL: Ученые продвинулись в управляемом ускорении электронов в микромасштабе
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Physical Review Applied: Ниобий воскресили для квантовых технологий
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
Лесовосстановления недостаточно для возмещения углерода от заготовки древесины
Optica Quantum: Ученые разработали новый метод определения квантовых состояний
Optica Quantum: Ученые разработали новый метод определения квантовых состояний
Новая реалистичная компьютерная модель поможет роботам собирать лунную пыль
Новая реалистичная компьютерная модель поможет роботам собирать лунную пыль
С помощью GPT-4 создали видеоуроки по педиатрии для слабо обеспеченных больниц
С помощью GPT-4 создали видеоуроки по педиатрии для слабо обеспеченных больниц
Телескоп Джеймс Уэбб обнаружил следы нейтронной звезды в легендарной сверхновой
Телескоп Джеймс Уэбб обнаружил следы нейтронной звезды в легендарной сверхновой
Нервная анорексия у мужчин опасна для жизни
Нервная анорексия у мужчин опасна для жизни
Nicotine & Tobacco Research: Запрет сигарет с ментолом помогает бросить курить
Nicotine & Tobacco Research: Запрет сигарет с ментолом помогает бросить курить
Мальротацию кишечника новорожденных помогут распутать лягушачьи икринки
Мальротацию кишечника новорожденных помогут распутать лягушачьи икринки
Новое исследование роли дофамина поможет лечить болезнь Паркинсона
Новое исследование роли дофамина поможет лечить болезнь Паркинсона
Nature Comm: Младенцев с синдромом Дауна в древности почитали как особенных
Nature Comm: Младенцев с синдромом Дауна в древности почитали как особенных
Крошечную метку на замену RFID сделали еще надежнее
Крошечную метку на замену RFID сделали еще надежнее
Освоение космоса: остановить нельзя развивать
Освоение космоса: остановить нельзя развивать
Гигантские антарктические морские пауки удивили всех отношением к потомству
Гигантские антарктические морские пауки удивили всех отношением к потомству

Новости компаний, релизы

НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
НАИРИТ объявит итоги Всероссийского инновационного конкурса 21 февраля
«Инструменты инновационного развития»
«Инструменты инновационного развития»
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
3 причины перехода с печатной рекламы на цифровую
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Виды резервирования серверов для задач АСУ ТП
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса
Выбор клиники и лечащего врача с помощью специализированного сервиса