Forskare lyckas äntligen odla dolomit i laboratoriet genom att lösa upp strukturella defekter under tillväxten.

By | November 24, 2023

Den här artikeln har granskats i enlighet med Science X:s redaktionella process och policys. Redaktörerna har lyft fram följande attribut samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:

verifierad

peer reviewed publikation

pålitlig källa

korrekt


Strukturen av en dolomitkristallkant. Rader av magnesium (orange sfärer) alternerar med rader av kalcium (blå sfärer) och varvas med karbonat (svarta strukturer). Rosa pilar visar kristalltillväxtriktningar. Kalcium och magnesium fäster ofta felaktigt till den växande kanten, vilket stoppar tillväxten av dolomit. Kredit: Joonsoo Kim, University of Michigan

× nära


Strukturen av en dolomitkristallkant. Rader av magnesium (orange sfärer) alternerar med rader av kalcium (blå sfärer) och varvas med karbonat (svarta strukturer). Rosa pilar visar kristalltillväxtriktningar. Kalcium och magnesium fäster ofta felaktigt till den växande kanten, vilket stoppar tillväxten av dolomit. Kredit: Joonsoo Kim, University of Michigan

I 200 år har forskare misslyckats med att odla ett vanligt mineral i laboratoriet under de förhållanden som tros ha bildat det naturligt. Nu har ett team av forskare från University of Michigan och Hokkaido University i Sapporo, Japan, äntligen gjort det tack vare en ny teori utvecklad från atomsimuleringar.

Deras framgång löser ett mångårigt geologiskt mysterium som kallas “Dolomitproblemet”. Dolomit, ett nyckelmineral i Dolomiterna i Italien, Niagarafallen, White Cliffs of Dover och Hoodoos i Utah, är mycket rikligt förekommande i stenar över 100 miljoner år gamla, men nästan frånvarande i yngre formationer.

“Om vi ​​förstår hur dolomit växer i naturen, kan vi lära oss nya strategier för att främja kristalltillväxt av moderna tekniska material”, säger Wenhao Sun, professor i tidig karriär vid Dow i materialvetenskap och teknik vid UM och motsvarande författare till tidningen. idag i Vetenskap.

Hemligheten med att äntligen odla dolomit i labbet var att eliminera defekter i mineralstrukturen när den växer. När mineraler bildas i vatten avsätts atomerna vanligtvis snyggt på ena kanten av ytan av den växande kristallen. Dock bildas tillväxtkanten av dolomit av omväxlande rader av kalcium och magnesium.

I vatten fäster kalcium och magnesium slumpmässigt till den växande dolomitkristallen, ofta fastnar på fel ställe och skapar defekter som förhindrar att ytterligare lager av dolomit bildas. Denna sjukdom bromsar tillväxten av dolomit till en långsam takt, vilket innebär att det skulle ta 10 miljoner år att bilda bara ett lager av ordnad dolomit.

Lyckligtvis är dessa defekter inte blockerade. Eftersom oordnade atomer är mindre stabila än atomer i rätt position, är de de första som löses upp när mineralet tvättas med vatten. Upprepad tvättning av dessa defekter (till exempel med regn eller tidvattencykler) gör att ett lager av dolomit kan bildas på bara några år. Under geologisk tid kan berg av dolomit ackumuleras.

För att exakt simulera tillväxten av dolomit behövde forskarna beräkna hur tätt eller löst atomer kommer att fästa på en befintlig dolomityta. De mest exakta simuleringarna kräver energin från varje interaktion mellan elektroner och atomer i den växande kristallen. Dessa uttömmande beräkningar kräver vanligtvis enorma mängder datorkraft, men programvara utvecklad vid UM:s Center for Predictive Structure Materials Science (PRISMS) erbjöd en genväg.


Kredit: University of Michigan

“Vår programvara beräknar energin för vissa atomarrangemang och extrapolerar dem sedan för att förutsäga energierna för andra arrangemang baserat på kristallstrukturens symmetri”, säger Brian Puchala, en av de ledande utvecklarna av programvaran och en associerad forskare i Institutionen för UM-material. Vetenskap och teknik.

Den genvägen gjorde det möjligt att simulera dolomittillväxt på geologiska tidsskalor.

“Varje atomsteg skulle normalt kräva mer än 5 000 CPU-timmar på en superdator. Nu kan vi göra samma beräkning på 2 millisekunder på en stationär dator”, säger Joonsoo Kim, doktorand i materialvetenskap och teknik och första författare till studien …

De få områden där dolomit bildas idag svämmar över periodvis och torkar sedan ut, vilket stämmer väl överens med Sun och Kims teori. Men bara det beviset räckte inte för att vara helt övertygande. Ange Yuki Kimura, professor i materialvetenskap vid Hokkaido University, och Tomoya Yamazaki, en postdoktor i Kimuras labb. De testade den nya teorin med en egenhet av transmissionselektronmikroskop.

“Elektronmikroskop använder vanligtvis elektronstrålar endast för att avbilda prover,” sa Kimura. “Men strålen kan också dela vatten och producera syra som kan få kristaller att lösas upp. Vanligtvis är detta dåligt för avbildning, men i det här fallet är upplösning precis vad vi ville ha.” “.

Efter att ha placerat en liten dolomitkristall i en lösning av kalcium och magnesium, pulserade Kimura och Yamazaki försiktigt elektronstrålen 4 000 gånger under två timmar och löste upp defekterna. Efter pulserna observerades dolomiten växa till cirka 100 nanometer, cirka 250 000 gånger mindre än en tum. Även om det bara var 300 lager dolomit hade mer än fem lager dolomit aldrig tidigare odlats i laboratoriet.

Lärdomar från Dolomiterna-problemet kan hjälpa ingenjörer att tillverka material av högre kvalitet för halvledare, solpaneler, batterier och annan teknik.

“Tidigare försökte kristallproducenter som ville göra defektfria material att odla dem mycket långsamt,” sa Sun. “Vår teori visar att defektfria material kan odlas snabbt om defekter periodvis löses upp under tillväxten.”

Mer information:
Joonsoo Kim et al, Upplösning möjliggör tillväxt av dolomitkristaller nära omgivande förhållanden, Vetenskap (2023). DOI: 10.1126/science.adi3690. www.science.org/doi/10.1126/science.adi3690

Tidningsinformation:
Vetenskap

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *