Science >> Wetenschap >  >> Chemie

Wetenschappers zijn er eindelijk in geslaagd dolomiet in het laboratorium te laten groeien door structurele defecten tijdens de groei op te lossen

De structuur van een dolomietkristalrand. Rijen magnesium (oranje bolletjes) worden afgewisseld met rijen calcium (blauwe bolletjes) en worden afgewisseld met carbonaat (zwarte structuren). De roze pijlen geven de richtingen van kristalgroei aan. Calcium en magnesium hechten zich vaak niet goed aan de groeirand, waardoor de groei van dolomiet stopt. Credit:Joonsoo Kim, Universiteit van Michigan

Al tweehonderd jaar zijn wetenschappers er niet in geslaagd een gewoon mineraal in het laboratorium te laten groeien onder de omstandigheden waarvan wordt aangenomen dat het op natuurlijke wijze is gevormd. Nu is een team van onderzoekers van de Universiteit van Michigan en de Hokkaido Universiteit in Sapporo, Japan daar eindelijk in geslaagd, dankzij een nieuwe theorie die is ontwikkeld op basis van atomaire simulaties.



Hun succes lost een al lang bestaand geologisch mysterie op dat het 'Dolomietprobleem' wordt genoemd. Dolomiet – een belangrijk mineraal in de Dolomieten in Italië, de Niagarawatervallen en de Hoodoos in Utah – is zeer overvloedig aanwezig in gesteenten die ouder zijn dan 100 miljoen jaar, maar vrijwel afwezig in jongere formaties.

"Als we begrijpen hoe dolomiet in de natuur groeit, kunnen we nieuwe strategieën leren om de kristalgroei van moderne technologische materialen te bevorderen", zegt Wenhao Sun, de Dow Early Career Professor of Materials Science and Engineering aan de UM en de corresponderende auteur van het gepubliceerde artikel. vandaag in Wetenschap .

Het geheim van het uiteindelijk kweken van dolomiet in het laboratorium was het verwijderen van defecten in de minerale structuur terwijl het groeit. Wanneer mineralen in water worden gevormd, zetten atomen zich meestal netjes af op een rand van het groeiende kristaloppervlak. De groeirand van dolomiet bestaat echter uit afwisselende rijen calcium en magnesium.

In water zullen calcium en magnesium zich willekeurig hechten aan het groeiende dolomietkristal, waardoor ze zich vaak op de verkeerde plek nestelen en defecten veroorzaken die de vorming van extra lagen dolomiet voorkomen. Deze aandoening vertraagt ​​de groei van dolomiet tot een kruip, wat betekent dat het 10 miljoen jaar zou duren om slechts één laag geordend dolomiet te maken.

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

Om de groei van dolomiet nauwkeurig te simuleren, moesten de onderzoekers berekenen hoe sterk of losjes atomen zich aan een bestaand dolomietoppervlak zullen hechten. De meest nauwkeurige simulaties vereisen de energie van elke afzonderlijke interactie tussen elektronen en atomen in het groeiende kristal. Dergelijke uitgebreide berekeningen vereisen doorgaans enorme hoeveelheden rekenkracht, maar software ontwikkeld door het Predictive Structure Materials Science (PRISMS) Center van de U-M bood een kortere weg.

Credit:Universiteit van Michigan

"Onze software berekent de energie voor sommige atomaire arrangementen en extrapoleert vervolgens om de energieën voor andere arrangementen te voorspellen op basis van de symmetrie van de kristalstructuur", zegt Brian Puchala, een van de hoofdontwikkelaars van de software en een universitair hoofdonderzoeker bij de afdeling UM. van materiaalkunde en techniek.

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

"Elke atomaire stap zou normaal gesproken meer dan 5.000 CPU-uren in beslag nemen op een supercomputer. Nu kunnen we dezelfde berekening in 2 milliseconden uitvoeren op een desktop", zegt Joonsoo Kim, een doctoraalstudent materiaalkunde en techniek en de eerste auteur van het onderzoek. /P>

De weinige gebieden waar vandaag de dag dolomiet wordt gevormd, overstromen met tussenpozen en drogen later uit, wat goed aansluit bij de theorie van Sun en Kim. Maar dergelijk bewijs 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 een vleugje transmissie-elektronenmicroscopen.

"Elektronenmicroscopen gebruiken meestal alleen elektronenstralen om monsters in beeld te brengen," zei Kimura. "De straal kan echter ook water splitsen, waardoor zuur ontstaat dat ervoor kan zorgen dat kristallen oplossen. Meestal is dit slecht voor de beeldvorming, maar in dit geval is oplossen 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 opgelost. Na de pulsen bleek dolomiet ongeveer 100 nanometer te groeien – ongeveer 250.000 keer kleiner dan een centimeter. Hoewel dit slechts 300 lagen dolomiet waren, waren er nog nooit eerder dan vijf lagen dolomiet in het laboratorium gekweekt.

De lessen die uit het Dolomietprobleem zijn geleerd, kunnen ingenieurs helpen materialen van hogere kwaliteit te vervaardigen voor halfgeleiders, zonnepanelen, batterijen en andere technologie.

"Vroeger probeerden kristalkwekers die materialen zonder gebreken wilden maken, ze heel langzaam te laten groeien", zei Sun. "Onze theorie laat zien dat je snel defectvrije materialen kunt kweken, als je de defecten tijdens de groei periodiek weglost."

Meer informatie: Joonsoo Kim et al., Dissolutie maakt de groei van dolomietkristallen mogelijk in de buurt van omgevingsomstandigheden, Wetenschap (2023). DOI:10.1126/science.adi3690. www.science.org/doi/10.1126/science.adi3690

Juan Manuel García-Ruiz, Een fluctuerende oplossing voor het dolomietprobleem, Wetenschap (2023). DOI:10.1126/science.adl1734 , www.science.org/doi/10.1126/science.adl1734

Journaalinformatie: Wetenschap

Aangeboden door Universiteit van Michigan




Meer >

Meer >

Hoofdlijnen

  1. Regulering van fruitontwikkeling en rijping door DNA-methylatie
  2. Het unieke pentraxine-koolzuuranhydrase-eiwit reguleert het vermogen van vissen om te zwemmen
  3. Symbiotische bacteriën beschermen keverlarven tegen ziekteverwekkers
  4. Genezing van verbrande poten met vissenhuid
  5. Worden we geboren met een moreel kompas?
  6. Ontrafelen wat genomics kan doen
  7. Ornithologen ontdekken dat 's werelds grootste kolibrie eigenlijk uit twee soorten bestaat
  8. Metabolisme heeft een directe invloed op de kans op het ontwikkelen van malaria
  9. Zoogdieren op luchteilanden kunnen worden bedreigd door klimaatverandering en menselijke ontwikkeling

Wetenschap