Кристаллы, выращенные с помощью электронного луча, решают 200-летнюю геологическую загадку

Тайна, которая преследовала материаловедение на протяжении 200 лет, наконец-то раскрыта. Минерал, обнаруженный во многих древних скальных образованиях, сильно сопротивлялся попыткам ученых вырастить его в лаборатории, хотя им удалось воссоздать условия, которые, по их мнению, сформировали его в природе. Теперь команда решила проблему и впервые обнаружила, как быстро вырастить кристаллы доломита.

Доломит – очень важный минерал, он есть весь горная цепь Оно было названо в его честь. Помимо этих вершин в итальянских Альпах, доломит в изобилии встречается в Белых скалах Дувра, Худах штата Юта и других породах, возраст которых превышает 100 миллионов лет. Фактически он составляет около 30% минералов своего типа — карбонатов — в земной коре, но заметно отсутствует в более поздних породах.

Несмотря на тщательные попытки воссоздать естественные условия его роста, ученым в течение двух столетий не удавалось получить кристаллы доломита в лаборатории. Чтобы решить загадку, им пришлось вернуться к основам.

«Если мы поймем, как доломит растет в природе, мы сможем изучить новые стратегии для улучшения роста кристаллов современных технологических материалов», — сказал в исследовании автор исследования Вэньхао Сунь из Мичиганского университета. заявление.

Кристаллы доломита формируются в течение геологических времен путем накопления чередующихся слоев кальция и магния. Звучит достаточно просто, хотя и отнимает много времени, но есть одна загвоздка. Когда есть вода, атомы кальция и магния могут хаотично прилипать к краю роста кристалла, часто в неправильном месте. Эти разломы препятствуют правильному формированию чередующихся слоев, поэтому создание одного упорядоченного слоя доломитовой породы занимает так много времени — 10 миллионов лет.

Поскольку Сану и его команде не пришлось ждать 10 миллионов лет, они обратились к мощному программному обеспечению для моделирования всех возможных взаимодействий, происходящих между атомами в растущем кристалле доломита.

«Каждый атомарный шаг обычно занимает более 5000 часов процессора на суперкомпьютере. Теперь мы можем выполнить тот же расчет за 2 миллисекунды на настольном компьютере», — сказал первый автор Джунсу Ким.

Команда остановилась на теории. Доломит может расти быстрее, если он регулярно подвергается циклам с более низкой концентрацией кальция и магния. Большинство кристаллов хорошо растут в пересыщенных растворах, где их атомные компоненты присутствуют в очень высоких количествах. Что касается доломита, то это только приводит к большему количеству дефектов и все замедляет.

Чтобы проверить теорию, команда проконсультировалась с сотрудниками из Университета Хоккайдо и разработала гениальный эксперимент с использованием трансмиссионной электронной микроскопии.

«Электронные микроскопы обычно используют электронные лучи только для изображения образцов», — объяснил Юки Кимура, профессор материаловедения в Университете Хоккайдо. «Однако луч также может расщеплять воду, образуя кислоту, которая может вызвать растворение кристаллов. Обычно это плохо для визуализации, но в данном случае растворение — это именно то, что мы хотели».

Небольшой кристалл доломита в растворе кальция и магния был подвергнут воздействию электронного луча, который посылался 4000 импульсов в течение двух часов, чтобы начать растворение кристалла. Когда луч выключается, окружающий раствор быстро переходит в более насыщенное состояние.

Это работает как по волшебству. После такой обработки команда с радостью заметила, что кристалл вырос примерно на 100 нанометров. Это может показаться не таким уж большим, но это 300 вновь образовавшихся слоев доломита. Максимум, чего удалось добиться в лаборатории раньше, — пять.

Результаты также согласуются с тем, что наблюдалось в природе. Есть лишь несколько мест, где сегодня образуется доломит, но все они представляют собой места с циклами наводнений, за которыми следуют более засушливые условия.

Решение проблемы доломита является большим достижением. «Это открытие открывает двери для изучения геохимического процесса, который повлиял на формирование массивных доломитов в природном мире», — написал в статье Хуан Мануэль Гарсиа Руис, который не принимал непосредственного участия в работе. Точка зрения сопровождающее исследование.

Более того, изучение того, как быстро выращивать бездефектные кристаллы, может иметь важные применения для производства многих жизненно важных компонентов продуктов, таких как полупроводники, солнечные панели и батареи.

«В прошлом производители кристаллов, которые хотели производить безупречные материалы, пытались обрабатывать их очень медленно», — сказал Сан. «Наша теория показывает, что можно быстро вырастить бездефектные материалы, если периодически растворять дефекты во время роста».

Исследование опубликовано в Науки.