Forskere lykkes endelig med at dyrke dolomit i laboratoriet ved at opløse strukturelle defekter under vækst
I 200 år har videnskabsmænd undladt at dyrke et almindeligt mineral i laboratoriet under de betingelser, der menes at have dannet det naturligt. Nu er det endelig lykkedes for et team af forskere fra University of Michigan og Hokkaido University i Sapporo, Japan, takket være en ny teori udviklet fra atomsimulationer.
Deres succes løser et mangeårigt geologisk mysterium kaldet "Dolomitproblemet." Dolomit – et nøglemineral i Dolomitbjergene i Italien, Niagara Falls og Utahs Hoodoos – er meget rigeligt i klipper ældre end 100 millioner år, men næsten fraværende i yngre formationer.
"Hvis vi forstår, hvordan dolomit vokser i naturen, vil vi måske lære nye strategier til at fremme krystalvæksten af moderne teknologiske materialer," sagde Wenhao Sun, professor i tidlig karriere i Dow i Materials Science and Engineering ved U-M og den tilsvarende forfatter til det publicerede papir. i dag i Science .
Hemmeligheden bag endelig at dyrke dolomit i laboratoriet var at fjerne defekter i mineralstrukturen, mens den vokser. Når mineraler dannes i vand, aflejres atomer normalt pænt på en kant af den voksende krystaloverflade. Dog består vækstkanten af dolomit af vekslende rækker af calcium og magnesium.
I vand vil calcium og magnesium tilfældigt binde sig til den voksende dolomitkrystal, ofte sætte sig på det forkerte sted og skabe defekter, der forhindrer yderligere lag af dolomit i at dannes. Denne lidelse bremser dolomitvæksten til en gennemgang, hvilket betyder, at det ville tage 10 millioner år at lave kun ét lag ordnet dolomit.
Heldigvis er disse defekter ikke låst på plads. Fordi de uordnede atomer er mindre stabile end atomer i den korrekte position, er de de første til at opløses, når mineralet vaskes med vand. Gentagne gange skylning af disse defekter - for eksempel med regn eller tidevandscyklusser - gør det muligt at danne et dolomitlag på kun få år. Over geologisk tid kan bjerge af dolomit ophobes.
For at simulere dolomitvækst nøjagtigt, var forskerne nødt til at beregne, hvor stærkt eller løst atomer vil knytte sig til en eksisterende dolomitoverflade. De mest nøjagtige simuleringer kræver energien fra hver enkelt interaktion mellem elektroner og atomer i den voksende krystal. Sådanne udtømmende beregninger kræver normalt enorme mængder computerkraft, men software udviklet på U-M's Predictive Structure Materials Science (PRISMS) Center tilbød en genvej.
"Vores software beregner energien for nogle atomarrangementer og ekstrapolerer derefter for at forudsige energierne for andre arrangementer baseret på krystalstrukturens symmetri," sagde Brian Puchala, en af softwarens ledende udviklere og associeret forsker i U-M's afdeling i Materials Science and Engineering.
Denne genvej gjorde det muligt at simulere dolomitvækst over geologiske tidsskalaer.
"Hvert atomare trin ville normalt tage over 5.000 CPU-timer på en supercomputer. Nu kan vi lave den samme beregning på 2 millisekunder på en desktop," sagde Joonsoo Kim, en doktorgradsstuderende i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og undersøgelsens første forfatter.
De få områder, hvor dolomit dannes i dag, oversvømmes og tørrer senere ud, hvilket stemmer godt overens med Sun og Kims teori. Men sådanne beviser alene var ikke nok til at være fuldt overbevisende. Indtast Yuki Kimura, en professor i materialevidenskab fra Hokkaido University, og Tomoya Yamazaki, en postdoc-forsker i Kimuras laboratorium. De testede den nye teori med et særpræg af transmissionselektronmikroskoper.
"Elektronmikroskoper bruger normalt elektronstråler bare for at afbilde prøver," sagde Kimura. "Strålen kan dog også spalte vand, hvilket laver syre, der kan få krystaller til at opløses. Normalt er dette dårligt til billeddannelse, men i dette tilfælde er opløsning præcis, hvad vi ønskede."
Efter at have anbragt en lille dolomitkrystal i en opløsning af calcium og magnesium, pulserede Kimura og Yamazaki forsigtigt elektronstrålen 4.000 gange i løbet af to timer og opløste defekterne. Efter pulserne blev dolomit set at vokse cirka 100 nanometer - omkring 250.000 gange mindre end en tomme. Selvom dette kun var 300 lag dolomit, var der aldrig blevet dyrket mere end fem lag dolomit i laboratoriet før.
Erfaringerne fra Dolomite Problemet kan hjælpe ingeniører med at fremstille materialer af højere kvalitet til halvledere, solpaneler, batterier og anden teknologi.
"Tidligere ville krystaldyrkere, der ønskede at lave materialer uden defekter, forsøge at dyrke dem virkelig langsomt," sagde Sun. "Vores teori viser, at du hurtigt kan dyrke fejlfrie materialer, hvis du med jævne mellemrum opløser defekterne væk under væksten."
Flere oplysninger: Joonsoo Kim et al., Opløsning muliggør vækst af dolomitkrystal nær omgivende forhold, Science (2023). DOI:10.1126/science.adi3690. www.science.org/doi/10.1126/science.adi3690
Juan Manuel García-Ruiz, En fluktuerende løsning på dolomitproblemet, Videnskab (2023). DOI:10.1126/science.adl1734 , www.science.org/doi/10.1126/science.adl1734
Journaloplysninger: Videnskab
Leveret af University of Michigan
Varme artikler
-
Forskere foreslår en dynamisk ladning og oxidationstilstand for enkeltatom-katalysatorerResultaterne, udgivet i Naturmaterialer , gøre det amerikanske energiministerium 150ºC udfordring for emissioner mere opnåelige. Forskere fra López-gruppen foreslår en dynamisk ladning og oxidations -
Kalkunbryst med lavere natrium vinder sensorisk test over fuld-salt mulighedAmanda Kinchla, UMass Amherst extension lektor, undersøger måder at reducere natriumindholdet i forarbejdede fødevarer for at gøre dem sundere. Kredit:UMass Amherst Fødevareforskere fra University -
Sporing af nitrogenoxid-signalvejenKredit:Wiley Både nitrogenoxid (NO) og svovlbrinte (H 2 S) fungerer som gasformige signalmolekyler med lignende fysiologiske virkninger. Mange af de kritiske spørgsmål om samspillet mellem disse -
Team udvikler en familie af bioinspirerede kunstige træsorter fra traditionelle harpikserDet illustrerer, hvordan kunstige træsorter dannes i molekylær skala og detaljer. Kredit:YU Shuhong Naturen har givet inspirationen til design og fremstilling af højtydende biomimetiske ingeniørma
- Sticky elektroner:Når frastødning bliver til tiltrækning
- EV -opladning i kolde temperaturer kan udgøre udfordringer for bilisterne
- De energimæssige implikationer af organiske radikale polymerer
- Nikkelblok:Et elements kærlighed-had forhold til batterielektroder
- Nær-infrarødt-udløst nanozym til synergistisk kaskade-tumorterapi
- Liste over Hadal Zone Dyr