Ученым впервые удалось вырастить доломит в лаборатории

В течение 200 лет исследователям было не по силам вырастить этот обычный минерал в искусственных условиях, схожих с естественными. Однако благодаря разработанной новой теории на основе атомного моделирования, команде исследователей из Мичиганского университета и Университета Хоккайдо в Саппоро, Япония, это удалось.


Результаты этого исследования решают долговременную загадку, известную как «Проблема Доломитов». Доломит, который является ключевым минералом Доломитовых Альп и других уникальных мест на планете, широко распространен в породах возрастом более 100 миллионов лет, но практически отсутствует в более молодых образованиях.

Ученые понимают, что познание процесса естественного роста доломита может помочь разработать новые стратегии для выращивания современных технологических материалов. Однако устранение дефектов в структуре доломита в процессе его роста являлось главной проблемой.

Обычно атомы кальция и магния растворяются в воде и оседают на поверхности кристалла доломита в процессе его формирования. Однако поверхность роста доломита состоит из чередующихся слоев кальция и магния, что создавало дефекты в росте и мешало образованию дополнительных слоев. Это замедляло процесс роста доломита, требуя для образования даже одного слоя около 10 миллионов лет.

Ученым удалось решить эту проблему путем растворения дефектов в структуре доломита. Неупорядоченные атомы оказались менее стабильными и растворялись первыми при промывании минерала водой. Многократное промывание дождем или приливами позволяло формировать слои доломита за считанные годы, в результате формировались горы этого минерала в геологическом масштабе времени.

Для точного моделирования процесса роста доломита исследователям потребовалось рассчитать, как атомы будут прикрепляться к уже существующей поверхности доломита. Для этого была необходима точная оценка энергии каждого атомного взаимодействия внутри растущего кристалла. Такие расчеты обычно требуют огромных вычислительных мощностей, но эта задача была решена благодаря программному обеспечению, разработанному в Центре материаловедения с прогнозируемой структурой (PRISMS) Мичиганского университета. Это программное обеспечение позволяет сократить время расчетов и предсказывать энергетические взаимодействия на основе симметрии кристаллической структуры.

Дополнительно, исследователи из Университета Хоккайдо Юки Кимура, профессор материаловедения, и Томоя Ямадзаки, научный сотрудник лаборатории Кимуры оценили новую теорию, используя трансмиссионный электронный микроскоп. Этот метод позволил им совместно с данными из атомного моделирования получить доказательства и проверить гипотезу.

С использованием нового метода, Кимура и Ямадзаки смогли избавить крошечный кристалл доломита от дефектов, поглощая их с помощью электронного луча. После нескольких импульсов электронного луча, доломит вырос на 100 нанометров, что примерно в 250 000 раз меньше дюйма. Это было достижением, поскольку ранее в лабораториях никогда не удавалось вырастить более пяти слоев доломита.

Этот прорыв в исследовании доломита дает ценные уроки для инженеров и производителей материалов. Он открывает путь к производству более качественных материалов для различных сфер применения, включая полупроводники, солнечные панели, аккумуляторы и другие технологии. Теперь производители могут стремиться к быстрому выращиванию бездефектных материалов, регулярно удаляя дефекты в процессе роста благодаря полученным знаниям о процессах формирования кристаллической структуры.

Международная команда исследователей продемонстрировала, что даже самые сложные геологические загадки могут быть решены с помощью инновационных методов и подходов. Этот успех является одним из многих шагов вперед в понимании природных процессов и разработке новых технологий.

Выращивание доломита в лаборатории — большой прорыв в понимании процессов формирования и роста этого минерала. Возможность моделировать, и изучать эти процессы открывает двери для разработки новых материалов и технологий. Это еще одна важная веха в исследовании геологии и развитии научных знаний.