200年来，科学家们一直未能在实验室中培育出一种常见的矿物质，而人们认为这种矿物质是在自然条件下形成的。现在，来自密歇根大学和日本札幌北海道大学的一组研究人员终于成功了，这要归功于一种从原子模拟中发展出来的新理论。
他们的成功解决了一个长期以来被称为“白云石问题”的地质之谜。白云石是意大利白云石山脉、尼亚加拉大瀑布、多佛白崖和犹他州胡都斯的一种重要矿物，它在超过1亿年的岩石中非常丰富，但在较年轻的地层中几乎没有。
“如果我们了解白云石在自然界中是如何生长的，我们可能会学到新的策略来促进现代技术材料的晶体生长，”密歇根大学材料科学与工程的陶氏早期职业教授孙文豪说，他是今天发表在《科学》杂志上的论文的通讯作者。
最终在实验室中培育白云石的秘密是在其生长过程中去除矿物结构中的缺陷。当矿物质在水中形成时，原子通常整齐地沉积在生长的晶体表面的边缘。然而，白云石的生长边缘由钙和镁的交替排列组成。
在水中，钙和镁会随机附着在生长的白云石晶体上，经常会落在错误的位置，造成缺陷，从而阻止白云石形成额外的层。这种混乱减缓了白云岩的生长速度，这意味着要花1000万年才能形成一层有序的白云岩。
幸运的是，这些缺陷并没有被锁定。因为无序的原子比处于正确位置的原子更不稳定，所以当矿物用水洗涤时，它们首先溶解。反复冲洗掉这些缺陷——例如，通过降雨或潮汐循环——可以在短短几年内形成白云岩层。随着地质时间的推移，白云岩可以堆积成山。
为了准确地模拟白云岩的生长，研究人员需要计算原子附着在现有白云岩表面的强度或松散程度。最精确的模拟需要生长晶体中电子和原子之间每一次相互作用的能量。这种详尽的计算通常需要大量的计算能力，但密歇根大学预测结构材料科学(PRISMS)中心开发的软件提供了一条捷径。
“我们的软件计算一些原子排列的能量，然后根据晶体结构的对称性推断出其他排列的能量，”该软件的主要开发者之一、密歇根大学材料科学与工程系的副研究科学家布莱恩·普查拉(Brian Puchala)说。
这条捷径使得模拟白云岩在地质时间尺度上的生长成为可能。
“在超级计算机上，每个原子步骤通常需要超过5000个CPU小时。现在，我们可以在桌面上在2毫秒内完成同样的计算，”材料科学与工程博士生、该研究的第一作者Joonsoo Kim说。
今天形成白云岩的少数地区间歇性地淹水，后来干涸，这与孙和金的理论非常吻合。但仅凭这些证据还不足以完全令人信服。北海道大学材料科学教授木村由纪(Yuki Kimura)和木村实验室博士后研究员山崎朋也(Tomoya yamamazaki)加入了进来。他们用一种古怪的透射电子显微镜来检验这个新理论。
“电子显微镜通常只使用电子束对样品成像，”木村说。然而，光束也可以分解水，从而产生酸，导致晶体溶解。通常，这不利于成像，但在这种情况下，溶解正是我们想要的。”
在将一个微小的白云石晶体放入钙镁溶液后，木村和山崎在两个小时内轻轻地脉冲电子束4000次，将缺陷溶解掉。经过脉冲后，白云石生长了大约100纳米——大约比一英寸小25万倍。虽然这只是300层白云岩，但在此之前，在实验室里从未生长过超过5层的白云岩。
从白云石问题中吸取的教训可以帮助工程师们为半导体、太阳能电池板、电池和其他技术制造更高质量的材料。
孙说:“过去，晶体种植者想要制造没有缺陷的材料，他们会尝试慢慢地生长。”“我们的理论表明，如果在生长过程中周期性地消除缺陷，就可以快速生长出无缺陷的材料。”
更多信息:Joonsoo Kim等，溶解使白云石晶体在环境条件下生长，Science(2023)。DOI: 10.1126 / science.adi3690。www.science.org/doi/10.1126/science.adi3690
由密歇根大学提供
引文:科学家们最终成功地在实验室中通过溶解生长过程中的结构缺陷生长白云石(2023年，11月23日)2023年11月24日从https://phys.org/news/2023-11-scientists-succeed-dolomite-lab-dissolving.html检索
本文档受版权保护。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
本文来自投稿，不代表牛批号立场，如若转载，请注明出处：https://cn.wwwhere.cn/uncategorized/202501-14409.html
