Shkencëtarët zgjidhin misterin e gjeologjisë 200-vjeçare

Për dy shekuj, shkencëtarët nuk kanë arritur të rrisin një mineral të zakonshëm në laborator në kushtet që besohet se e kanë formuar atë natyrshëm. Tani, një ekip studiuesish nga Universiteti i Miçiganit dhe Universiteti Hokkaido në Sapporo, Japoni më në fund e kanë arritur atë, falë një teorie të re të zhvilluar nga simulimet atomike.

Suksesi i tyre zgjidh një mister të gjatë gjeologjik të quajtur “Problemi i Dolomitit”. Dolomiti – një mineral kyç në malet e Dolomitit në Itali, Ujëvarat e Niagarës, Shkëmbinjtë e Bardhë të Doverit dhe Hoodoos në Utah – është shumë i bollshëm në shkëmbinjtë më të vjetër se 100 milionë vjet , por pothuajse mungon në formacionet më të reja.

“Nëse kuptojmë se si rritet dolomiti në natyrë, ne mund të mësojmë strategji të reja për të promovuar rritjen kristalore të materialeve moderne teknologjike,” tha Wenhao Sun, Profesor i Karrierës së hershme Dow i Shkencës dhe Inxhinierisë së Materialeve në UM dhe autori përkatës i punimit kohët e fundit. botuar në Science .

Sekreti për rritjen më në fund të dolomitit në laborator ishte heqja e defekteve në strukturën minerale ndërsa rritet. Kur mineralet formohen në ujë, atomet zakonisht depozitohen mirë në një skaj të sipërfaqes së kristalit në rritje. Sidoqoftë, skaji i rritjes së dolomitit përbëhet nga rreshta të alternuar të kalciumit dhe magnezit. Në ujë, kalciumi dhe magnezi do t’i bashkohen rastësisht kristalit të dolomitit në rritje, shpesh duke u vendosur në vendin e gabuar dhe duke krijuar defekte që parandalojnë formimin e shtresave shtesë të dolomitit. Ky çrregullim ngadalëson rritjen e dolomitit në një zvarritje, që do të thotë se do të duheshin 10 milionë vjet për të bërë vetëm një shtresë dolomiti të renditur.

Për fat të mirë, këto defekte nuk janë të mbyllura në vend. Për shkak se atomet e çrregullta janë më pak të qëndrueshme se atomet në pozicionin e duhur, ata janë të parët që treten kur minerali lahet me ujë. Shpëlarja e përsëritur e këtyre defekteve – për shembull, me cikle shiu ose baticash – lejon që një shtresë dolomiti të formohet në vetëm disa vite. Me kalimin e kohës gjeologjike, malet e dolomitit mund të grumbullohen.

Për të simuluar me saktësi rritjen e dolomitit, studiuesit duhej të llogaritnin se sa fort ose lirshëm do të ngjiten atomet në një sipërfaqe ekzistuese dolomiti. Simulimet më të sakta kërkojnë energjinë e çdo ndërveprimi të vetëm midis elektroneve dhe atomeve në kristalin në rritje. Llogaritje të tilla shteruese zakonisht kërkojnë sasi të mëdha të fuqisë llogaritëse, por softueri i zhvilluar në Qendrën e Shkencës së Materialeve të Strukturës Parashikuese (PRISMS) të U-M ofroi një shkurtore.

“Softueri ynë llogarit energjinë për disa rregullime atomike, më pas ekstrapolon për të parashikuar energjitë për rregullime të tjera bazuar në simetrinë e strukturës kristalore,” tha Brian Puchala, një nga zhvilluesit kryesorë të softuerit dhe një shkencëtar i asociuar kërkimor në Departamentin e U-M. i Shkencës dhe Inxhinierisë së Materialeve.

Kjo shkurtore e bëri të realizueshme simulimin e rritjes së dolomitit në shkallët kohore gjeologjike.

“Çdo hap atomik normalisht do të merrte mbi 5000 orë CPU në një superkompjuter. Tani, ne mund të bëjmë të njëjtën llogaritje në 2 milisekonda në një desktop, “tha Joonsoo Kim, një student doktorature i shkencës dhe inxhinierisë së materialeve dhe autori i parë i studimit.

Zonat e pakta ku sot formohet dolomiti vërshojnë me ndërprerje dhe më vonë thahen, gjë që përputhet mirë me teorinë e Sun dhe Kim. Por vetëm prova të tilla nuk mjaftonin për të qenë plotësisht bindëse. Hyjnë Yuki Kimura, një profesor i shkencave materiale nga Universiteti Hokkaido, dhe Tomoya Yamazaki, një studiues postdoktoral në laboratorin e Kimura. Ata testuan teorinë e re me një çuditshmëri të mikroskopëve elektronikë të transmetimit.

“Mikroskopët elektronikë zakonisht përdorin rreze elektronike vetëm për të imazhuar mostrat,” tha Kimura. “Megjithatë, rrezja gjithashtu mund të ndajë ujin, i cili prodhon acid që mund të shkaktojë tretjen e kristaleve. Zakonisht, kjo është e keqe për imazherinë, por në këtë rast, shpërbërja është pikërisht ajo që donim.”

Pasi vendosën një kristal të vogël dolomiti në një tretësirë ​​kalciumi dhe magnezi, Kimura dhe Yamazaki pulsuan butësisht rrezen e elektronit 4000 herë gjatë dy orëve, duke i tretur defektet. Pas pulseve, dolomiti u pa të rritet afërsisht 100 nanometra – rreth 250,000 herë më i vogël se një inç. Edhe pse kjo ishte vetëm 300 shtresa dolomiti, kurrë më parë nuk ishin rritur më shumë se pesë shtresa dolomite në laborator.

Mësimet e nxjerra nga Problemi i Dolomitit mund t’i ndihmojnë inxhinierët të prodhojnë materiale me cilësi më të lartë për gjysmëpërçuesit, panelet diellore, bateritë dhe teknologji të tjera.

“Në të kaluarën, kultivuesit e kristaleve që donin të bënin materiale pa defekte do të përpiqeshin t’i rritnin ato me të vërtetë ngadalë,” tha Sun. “Teoria jonë tregon se ju mund të rritni materiale pa defekte shpejt, nëse i shpërndani periodikisht defektet gjatë rritjes.”