“The Dolomite Problem” – Wetenschappers lossen een 200 jaar oud geologisch mysterie op

Professor Wenhao Sun toont dolomiet uit zijn persoonlijke steencollectie. Sun bestudeert de kristalgroei van metalen vanuit een materiaalwetenschappelijk perspectief. Door te begrijpen hoe atomen samenkomen om natuurlijke mineralen te vormen, gelooft hij dat we de basismechanismen van kristalgroei kunnen blootleggen, die kunnen worden gebruikt om functionele materialen sneller en efficiënter te maken. Krediet: Marcin Szczybanski, Senior Multimedia Storyteller, Michigan Engineering.

Om bergen dolomiet, een veel voorkomend mineraal, te creëren, moet het periodiek worden gesmolten. Dit ogenschijnlijk tegenstrijdige concept kan ertoe bijdragen dat nieuwe producten onberispelijk zijn Halfgeleiders En meer.

Twee eeuwen lang zijn wetenschappers er niet in geslaagd een algemeen mineraal in het laboratorium te produceren onder omstandigheden waarvan wordt aangenomen dat deze op natuurlijke wijze zijn ontstaan. Nu heeft een team van onderzoekers van de Universiteit van Michigan en Universiteit van Hokkaido In Sapporo heeft Japan eindelijk precies dat bereikt, dankzij een nieuwe theorie die is ontwikkeld door middel van atomaire simulaties.

Hun succes lost een al lang bestaand geologisch mysterie op dat het 'Dolomietprobleem' wordt genoemd. Dolomiet – een belangrijk mineraal dat wordt aangetroffen in de Dolomieten in Italië, de Niagarawatervallen en Hoodoo in Utah – komt overvloedig voor in rotsen Ouder dan 100 miljoen jaarHet is echter vrijwel afwezig in jonge formaties.

Wenhao Sun, Dow Assistant Professor of Materials Science and Engineering aan de Universiteit van Michigan, en Junsu Kim, een doctoraalstudent materiaalwetenschappen en techniek in de onderzoeksgroep van professor Sun, tonen dolomietgesteenten uit de collectie van hun laboratorium. De twee wetenschappers hebben een theorie ontwikkeld die eindelijk een twee eeuwen oud mysterie over de overvloed aan dolomiet op aarde zou kunnen verklaren. Krediet: Marcin Szczybanski, Senior Multimedia Storyteller, Michigan Engineering.

Het belang van het begrijpen van de groei van dolomiet

“Als we begrijpen hoe dolomiet in de natuur groeit, kunnen we nieuwe strategieën leren om de kristalgroei van moderne technologische materialen te verbeteren”, zei Wenhao Sun, hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de Dow Universiteit en corresponderend auteur van het artikel, onlangs. Gepubliceerd in Wetenschappen.

Het geheim van het uiteindelijk kweken van dolomiet in het laboratorium was het verwijderen van defecten in de minerale structuur terwijl het groeide. Wanneer mineralen in water worden gevormd, worden atomen meestal netjes afgezet aan de rand van het groeiende kristallijne oppervlak. De groeirand van dolomiet bestaat echter uit afwisselende rijen calcium en magnesium. In water hechten calcium en magnesium zich willekeurig aan het groeiende dolomietkristal, waardoor ze zich vaak op de verkeerde plaats nestelen en defecten veroorzaken die de vorming van extra lagen dolomiet voorkomen. Deze verstoring vertraagt ​​de groei van het dolomiet tot een kruip, wat betekent dat het 10 miljoen jaar zou duren om slechts één laag geordend dolomiet te maken.

Dolomiet kristalrandstructuur. Rijen magnesium (oranje balletjes) worden afgewisseld met rijen calcium (blauwe balletjes), afgewisseld met carbonaten (zwarte structuren). Roze pijlen geven de richtingen van de kristalgroei aan. Calcium en magnesium binden zich vaak verkeerd aan de groeirand, waardoor de groei van dolomiet stopt. Bron afbeelding: Junsu Kim, PhD-student in Materials Science and Engineering, Universiteit van Michigan.

Gelukkig zijn deze gebreken niet op hun plaats verholpen. Omdat ongeordende atomen minder stabiel zijn dan atomen in de juiste positie, lossen ze als eerste op als het metaal met water wordt gewassen. Door deze breuken herhaaldelijk weg te spoelen – bijvoorbeeld door regen of getijdencycli – kan de dolomietlaag zich in slechts enkele jaren vormen. In de loop van de geologische tijd kunnen dolomietbergen zich ophopen.

Geavanceerde simulatietechnieken

Om de groei van dolomiet nauwkeurig te simuleren, moesten de onderzoekers berekenen hoe sterk of zwak de atomen aan het oppervlak van het bestaande dolomiet waren gehecht. Nauwkeurigere simulaties vereisen de energie van elke interactie tussen elektronen en atomen in het groeiende kristal. Dergelijke uitgebreide berekeningen vereisen doorgaans enorme hoeveelheden rekenkracht, maar software ontwikkeld aan het Center for Predictive Structural Materials Science (PRISMS) van de Universiteit van Maryland heeft voor een kortere weg gezorgd.

“Onze software berekent de energie van sommige atomaire arrangementen en extrapoleert deze vervolgens om de energieën van andere arrangementen te voorspellen op basis van de symmetrie van de kristalstructuur”, zegt Brian Buchala, een van de hoofdontwikkelaars van het programma en universitair hoofdonderzoeker. van het departement Maryland. Materiaalkunde en techniek.

Deze kortere weg maakte het mogelijk om de groei van dolomiet over geologische tijdschalen te simuleren.

Dolomiet is een mineraal dat zo veel voorkomt in oude rotsen dat het bergen vormt zoals de gelijknamige bergketen in Noord-Italië. Maar dolomiet is zeldzaam in jongere gesteenten en kan niet in een laboratorium worden gemaakt onder de omstandigheden waarin het op natuurlijke wijze is ontstaan. Een nieuwe theorie heeft wetenschappers voor het eerst geholpen het mineraal in het laboratorium bij normale temperatuur en druk te laten groeien, en zou de schaarste aan dolomiet in jongere gesteenten kunnen helpen verklaren. Bron afbeelding: Francesca.z73 via Wikimedia Commons.

“Elke atomaire stap duurt doorgaans meer dan 5.000 CPU-uren op een supercomputer. Nu kunnen we dezelfde berekening in 2 milliseconden op een desktop uitvoeren”, zegt Junsu Kim, een PhD-student in materiaalkunde en techniek en eerste auteur van het onderzoek.

Praktische toepassing en theorietoetsing

De weinige gebieden waar tegenwoordig dolomiet wordt gevormd, worden met tussenpozen overstroomd en drogen later op, wat goed overeenkomt met de theorie van Sun en Kim. Maar dergelijk bewijsmateriaal alleen was niet voldoende om volledig overtuigend te zijn. Yuki Kimura, hoogleraar materiaalkunde aan de Universiteit van Hokkaido, en Tomoya Yamazaki, een postdoctoraal onderzoeker in Kimura's laboratorium, komen binnen. Ze testten de nieuwe theorie met behulp van transmissie-elektronenmicroscopen.

“Elektronenmicroscopen gebruiken doorgaans alleen elektronenstralen om monsters in beeld te brengen,” zei Kimura. “De straal kan echter ook het water splijten, waardoor… zuur Waardoor de kristallen kunnen oplossen. Dit is meestal een slechte zaak voor fotografie, maar in dit geval is de ontleding precies wat we wilden.

Nadat ze een klein dolomietkristal in een oplossing van calcium en magnesium hadden geplaatst, pulseerden Kimura en Yamazaki de elektronenstraal gedurende twee uur zachtjes 4000 keer, waardoor de defecten werden verwijderd. Na de pulsen zag men het dolomiet met ongeveer 100 nanometer groeien, ongeveer 250.000 keer kleiner dan een centimeter. Hoewel het slechts om 300 lagen dolomiet ging, waren er in een laboratorium nooit meer dan vijf lagen dolomiet gekweekt.

De lessen die we uit het dolomietprobleem kunnen trekken, kunnen ingenieurs helpen materialen van hogere kwaliteit te vervaardigen voor halfgeleiders, zonnepanelen, batterijen en andere technologie.

“Vroeger probeerden kristalkwekers die onberispelijke materialen wilden maken, deze heel langzaam te laten groeien”, zegt Sun. “Onze theorie laat zien dat je snel defectvrije materialen kunt laten groeien, als je de defecten tijdens de groei periodiek oplost.”

Referentie: “Smelten maakt groei van dolomietkristallen mogelijk bij bijna omgevingscondities” door Junsu Kim, Yuki Kimura, Brian Buchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker en Wenhao Sun, 23 november 2023, Wetenschappen.
doi: 10.1126/science.adi3690

Het onderzoek werd gefinancierd door een New Doctoral Investigator Grant van de American Chemical Society PRF, het Amerikaanse ministerie van Energie en de Japan Society for the Promotion of Science.