На протяжении более двухсот лет геологи пытались воссоздать процесс формирования доломита в лабораторных условиях, соответствующих природным, но неизменно терпели неудачу. Этот минерал, составляющий основу знаменитых Доломитовых Альп и Ниагарского водопада. Доломит в изобилии встречается в породах старше 100 миллионов лет, но в современной среде он почти не образуется.
Геологам потребовалось 200 лет, чтобы научиться выращивать доломиты в лаборатории
Ученые Мичиганского университета с коллегами раскрыли тайну доломита, Ученые объяснили, почему этот минерал легко образуется в древних породах, но практически не растет в современных условиях. Исследователи разработали новую теорию атомного роста и подтвердили ее экспериментально, вырастив доломит в лаборатории.
Доломитовые Альпы около Кортины-д’Ампеццо, Италия. Википедия
Доломитовая аномалия. Парадокс заключается в том, что огромные доломитовые массивы прошлого возникли в условиях, которые сегодня кажутся нам статичными, но на самом деле были динамичными. Доломит называют «минералом времени»: для его формирования требуются не просто миллионы лет, а постоянные колебания окружающей среды. В районах, где сегодня все еще наблюдается рост доломита, уровень воды регулярно меняется, что подтверждает теорию о необходимости циклического «очищения» поверхности кристалла для его дальнейшего развития.
Проблема заключалась в уникальной структуре кристалла, состоящей из строго чередующихся слоев кальция и магния. В процессе роста атомы часто занимают неверные позиции, создавая структурные дефекты, которые блокируют дальнейшее развитие кристалла. При обычном течении процесса формирование одного упорядоченного слоя могло бы занять до 10 миллионов лет, что делало лабораторный синтез невозможным.
Кристаллическая структура доломита и поверхность роста. (A) Ориентация поверхности роста относительно условной элементарной ячейки. (B) край ступени на поверхности роста упорядоченного кристалла доломита. (Вставка) Вид сверху на элементарную ячейку поверхности. В упорядоченном доломите ионы Ca2+ и Mg2+ демонстрируют чередующийся порядок вдоль этого края ступени.
Прорыв произошел, когда команда применила компьютерное моделирование для изучения энергетических взаимодействий на атомном уровне. Программное обеспечение, разработанное в Мичиганском университете, позволило сократить время сложнейших расчетов в миллионы раз. Работа опубликована в журнале Science.
«Раньше каждый атомный шаг требовал более 5000 часов работы суперкомпьютера. Теперь мы выполняем тот же расчет за 2 миллисекунды на обычном десктопе», — пояснил первый автор исследования Джунсу Ким. Выяснилось, что для успешного роста минералу необходимы периодические «встряски», которые «очищают» его поверхность от ошибок.
Механизм самоочищения и успех эксперимента
Рост и упорядочение ступенчатых граней доломита посредством растворения-повторного осаждения при постоянной перенасыщенности, смоделированные с помощью кинетического метода Монте-Карло.
Суть новой теории заключается в том, что дефекты в структуре доломита нестабильны и растворяются в воде быстрее, чем правильно расположенные атомы. В природе циклы дождей или приливов регулярно омывают растущие кристаллы, удаляя дефектные участки и открывая место для формирования новых безупречных слоев.
Чтобы это доказать, ученые использовали электронный микроскоп не только для визуализации, но и для управления процессом. Пульсирующий пучок электронов создавал в растворе кратковременные всплески кислотности, которые растворяли нестабильные участки кристалла.
За два часа и 4000 импульсов ученым удалось вырастить около 300 слоев доломита, тогда как все предыдущие попытки ограничивались максимум пятью слоями. «Если мы поймем, как доломит растет в природе, мы сможем разработать новые стратегии для стимулирования роста кристаллов современных технологичных материалов», — отметил соавтор работы Вэньхао Сунь.
Открытие имеет важное значение не только для геологии, но и для индустрии высоких технологий. Принцип периодического удаления дефектов в процессе роста может значительно ускорить производство полупроводников, солнечных панелей и литий-ионных аккумуляторов, где идеальная структура материала критически важна для эффективной работы устройств.