Научници коначно после 200 година решили „проблем доломита“

Њихов рад решава дугогодишњу геолошку загонетку познату као „проблем доломита“. Доломит је распрострањен минерал који се налази на чувеним локацијама попут Доломита у Италији, Нијагариних водопада и стеновитих формација у Јути. Обилан је у стенама старијим од 100 милиона година, али се ретко виђа да настаје у „млађим“ формацијама.

„Ако разумемо како доломит расте у природи, могли бисмо да научимо нове стратегије за подстицање раста кристала у савременим технолошким материјалима“, навео је Венхао Сун, професор науке о материјалима и инжењерства на Универзитету у Мичигену и главни аутор рада објављеног у часопису Сајенс.

Зашто је раст доломита толико спор

Кључни пробој дошао је из разумевања шта ремети доломит док се формира. У води, минерали обично расту тако што се атоми уредно везују за површину кристала. Доломит се понаша другачије јер је његова структура састављена од наизменичних слојева калцијума и магнезијума.

Како кристал расте, ова два елемента се често везују насумично уместо да се правилно поређају.

То ствара структурне грешке које блокирају даљи раст. Резултат је изузетно спор процес. Тим темпом, формирање једног правилно уређеног слоја доломита може потрајати и до 10 милиона година.

Природни механизам „ресетовања“

Истраживачи су схватили да ове грешке нису трајне. Атоми који су на погрешном месту мање су стабилни и склонији растварању када дођу у контакт са водом. У природним условима, циклуси попут кише или плиме и осеке стално уклањају те неправилности.

Временом, овај процес чисти површину тако да нови, правилно распоређени слојеви могу да се формирају. Уместо да један слој настаје милионима година, доломит може да се постепено гради у знатно краћим интервалима. Током дугих геолошких периода, то доводи до великих наслага какве видимо у древним стенама.

Симулација раста кристала на атомском нивоу

Да би тестирао своју идеју, тим је морао да моделује како атоми међусобно делују током формирања доломита. То захтева прорачуне енергије у безбројним интеракцијама између електрона и атома, што је обично изузетно захтевно у погледу рачунарске снаге.

Истраживачи из центра ПРИСМС на Универзитету у Мичигену развили су софтвер који поједностављује овај изазов. Он израчунава енергију за одређене распореде атома, а затим предвиђа друге на основу симетрије кристалне структуре.

„Наш софтвер израчунава енергију за неке распореде атома, а затим екстраполира и предвиђа енергије за друге распореде на основу симетрије кристалне структуре“, истакао је Брајан Пучала, један од главних програмера софтвера и истраживач на Универзитету у Мичигену.

Овај приступ омогућио је симулацију раста доломита у временским оквирима који одражавају стварне геолошке процесе.

„Сваки атомски корак би иначе захтевао више од 5.000 сати рада процесора на суперкомпјутеру. Сада исти прорачун можемо да урадимо за две милисекунде на десктоп рачунару“, рекао је Џунсу Ким, докторанд и први аутор студије.

Лабораторијски експеримент потврђује теорију

Природна окружења у којима се доломит и данас формира често пролазе кроз циклусе плављења и исушивања, што подржава теорију истраживача. Ипак, био је потребан и директан експериментални доказ.

До њега су дошли Јуки Кимура, професор науке о материјалима на Универзитету Хокаидо, и Томоја Јамазаки, постдокторски истраживач у његовој лабораторији. Они су искористили необичну особину трансмисијских електронских микроскопа да репродукују овај процес.

„Електронски микроскопи обично користе сноп електрона само за снимање узорака. Међутим, тај сноп може и да разложи воду, стварајући киселину која може да раствори кристале. Обично је то проблем за снимање, али у овом случају, растварање је управо оно што нам је било потребно“, рекао је Кимура.

Тим је поставио мали кристал доломита у раствор који садржи калцијум и магнезијум. Затим су импулсно укључивали електронски сноп 4.000 пута током два сата, стално уклањајући грешке како су настајале.

Након овог процеса, кристал је порастао на око 100 нанометара, односно приближно 250.000 пута мање од једног инча. Тај раст одговарао је формирању око 300 слојева доломита. Претходни експерименти нису успевали да произведу више од пет слојева.

Значај за савремену технологију

Решење „проблема доломита“ не објашњава само геолошку мистерију, већ пружа и увид у то како контролисати раст кристала у напредним материјалима који се користе у модерној технологији.

„У прошлости су произвођачи кристала, желећи материјале без грешака, покушавали да их узгајају веома споро“, рекао је Сун. „Наша теорија показује да можете брзо узгајати материјале без грешака, ако током раста повремено уклањате те грешке.“

Овај концепт би могао да унапреди производњу полупроводника, соларних панела, батерија и других високотехнолошких производа.

Истраживање су финансирали фонд Америчког хемијског друштва за истраживања нафте (ПРФ), Министарство енергетике САД и Јапанско друштво за промоцију науке.