دانشمندان سرانجام موفق شدند با حل کردن نقص های ساختاری در طول رشد، دولومیت را در آزمایشگاه رشد دهند

به مدت 200 سال، دانشمندان قادر به رشد یک ماده معدنی معمولی در آزمایشگاه در شرایطی که تصور می شود به طور طبیعی تشکیل شده است، نبوده اند. اکنون، تیمی از محققان دانشگاه میشیگان و دانشگاه هوکایدو در ساپورو، ژاپن، به لطف نظریه جدیدی که از شبیه‌سازی‌های اتمی ایجاد شده است، سرانجام موفق شده‌اند.

موفقیت آنها یک معمای دیرینه زمین شناسی به نام “مسئله دولومیت” را حل کرد. دولومیت – یک ماده معدنی کلیدی در کوه‌های دولومیت ایتالیا، آبشار نیاگارا، صخره‌های سفید دوور و هودوس یوتا – در سنگ‌ها بسیار فراوان است. بیش از 100 میلیون سال قدمت دارداما در تشکیلات جوان تقریباً وجود ندارد.

ونهائو سان، پروفسور علوم و مهندسی مواد Dow در UM و نویسنده مسئول مقاله که امروز در نشریه منتشر شد، گفت: “اگر ما درک کنیم که دولومیت چگونه در طبیعت رشد می کند، ممکن است راهبردهای جدیدی برای ارتقای رشد کریستالی مواد با فناوری پیشرفته بیاموزیم.” علوم پایه.

راز در نهایت رشد دولومیت در آزمایشگاه، از بین بردن نقص در ساختار معدنی در حین رشد بود. هنگامی که مواد معدنی در آب تشکیل می شوند، اتم ها معمولاً روی لبه سطح کریستال در حال رشد رسوب می کنند. با این حال، حاشیه رشد دولومیت از ردیف های متناوب کلسیم و منیزیم تشکیل شده است.

در آب، کلسیم و منیزیم به طور تصادفی به کریستال دولومیت در حال رشد متصل می شوند، اغلب در مکان نامناسبی قرار می گیرند و نقص هایی ایجاد می کنند که از تشکیل لایه های اضافی دولومیت جلوگیری می کند. این گسل رشد دولومیت را تا حد خزیدن کند می کند، به این معنی که ساختن تنها یک لایه دولومیت روی هم 10 میلیون سال طول می کشد.

خوشبختانه این عیوب در جای خود رفع نمی شوند. از آنجایی که اتم‌های بی‌نظم نسبت به اتم‌ها در موقعیت صحیح پایداری کمتری دارند، اولین اتم‌هایی هستند که با شستن ماده معدنی با آب حل می‌شوند. شستشوی مکرر این گسل‌ها – به عنوان مثال، با باران یا چرخه جزر و مدی – به لایه دولومیت اجازه می‌دهد تنها در چند سال شکل بگیرد. کوه های دولومیت می توانند در طول زمان زمین شناسی انباشته شوند.

برای شبیه‌سازی دقیق رشد دولومیت، محققان باید محاسبه می‌کردند که اتم‌ها چقدر قوی یا شل به سطح دولومیت موجود می‌چسبند. دقیق ترین شبیه سازی ها به انرژی هر برهمکنش بین الکترون ها و اتم ها در کریستال در حال رشد نیاز دارد. چنین محاسبات جامعی معمولاً به مقادیر زیادی قدرت محاسباتی نیاز دارند، اما نرم افزار توسعه یافته در مرکز ساختار پیش بینی مواد (PRISMS) یک میانبر ارائه می دهد.

برایان پوچالا، یکی از توسعه دهندگان اصلی نرم افزار و دانشمند پژوهشی در بخش مواد UM می گوید: “نرم افزار ما انرژی را برای برخی آرایش های اتمی محاسبه می کند، سپس برای پیش بینی انرژی برای آرایش های دیگر بر اساس تقارن ساختار بلوری، برون یابی می کند.” علوم و مهندسی.

این میانبر امکان شبیه سازی رشد دولومیت را در مقیاس های زمانی زمین شناسی فراهم کرد.

«هر مرحله اتمی معمولاً بیش از 5000 ساعت CPU در یک ابررایانه طول می کشد. جونسو کیم، دانشجوی دکترای علوم و مهندسی مواد و اولین نویسنده این مطالعه، گفت: اکنون می‌توانیم همان محاسبه را در 2 میلی ثانیه روی یک رایانه رومیزی انجام دهیم.

معدود مناطقی که امروزه شکل‌های دولومیت در آن‌ها به‌صورت دوره‌ای سیل زده می‌شوند و بعداً خشک می‌شوند، که با نظریه سان و کیم مطابقت دارد. اما چنین شواهدی به تنهایی برای قانع‌کننده بودن کافی نبود. یوکی کیمورا، استاد علم مواد در دانشگاه هوکایدو، و تومویا یامازاکی، محقق فوق دکترا در آزمایشگاه کیمورا وارد شوید. آنها نظریه جدید را با یک فرضیه انتقال آزمایش کردند میکروسکوپ های الکترونی.

کیمورا گفت: «میکروسکوپ‌های الکترونی معمولاً از پرتوهای الکترونی فقط برای تصویربرداری از نمونه‌ها استفاده می‌کنند. با این حال، پرتو همچنین می تواند آب را شکافته و اسیدی بسازد که می تواند باعث شود کریستال ها حل کردن معمولاً این برای تصاویر بد است، اما در این مورد انحلال دقیقاً همان چیزی است که ما می‌خواستیم.»

پس از قرار دادن یک بلور کوچک دولومیت در محلول کلسیم و منیزیم، کیمورا و یامازاکی به آرامی پرتو الکترونی را 4000 بار طی دو ساعت پالس کردند و نقص ها را حل کردند. پس از پالس ها، دولومیت تقریباً 100 نانومتر رشد می کند – حدود 250000 بار کوچکتر از یک اینچ. اگرچه اینها تنها 300 لایه دولومیت بودند، اما تا به حال بیش از 5 لایه دولومیت در آزمایشگاه رشد نکرده بودند.

درس های آموخته شده از مشکل دولومیت می تواند به مهندسان کمک کند تا مواد با کیفیت بالاتر برای نیمه هادی ها، پنل های خورشیدی، باتری ها و سایر فناوری ها تولید کنند.

سان می‌گوید: «در گذشته، بلورسازانی که می‌خواستند مواد بدون نقص بسازند، سعی می‌کردند آن‌ها را به کندی رشد دهند. “تئوری ما نشان می دهد که اگر به طور دوره ای عیوب را در طول رشد از بین ببرید، می توانید مواد بدون نقص را به سرعت رشد دهید.”