Professor Wenhao Sun zeigt Dolomit aus seiner persönlichen Gesteinssammlung. Sun untersucht das Kristallwachstum von Metallen aus materialwissenschaftlicher Sicht. Er glaubt, dass wir durch das Verständnis, wie Atome zu natürlichen Mineralien zusammenkommen, die grundlegenden Mechanismen des Kristallwachstums aufdecken können, die zur schnelleren und effizienteren Herstellung funktioneller Materialien genutzt werden können. Bildnachweis: Marcin Szczybanski, Senior Multimedia Storyteller, Michigan Engineering.

Um Berge aus Dolomit, einem häufig vorkommenden Mineral, zu bilden, muss es regelmäßig geschmolzen werden. Dieses scheinbar widersprüchliche Konzept kann dazu beitragen, neue Produkte fehlerfrei zu machen Halbleiter Und mehr.

Zwei Jahrhunderte lang ist es Wissenschaftlern nicht gelungen, im Labor ein gewöhnliches Mineral unter Bedingungen herzustellen, von denen angenommen wird, dass sie auf natürliche Weise entstanden sind. Nun hat ein Team von Forschern der University of Michigan und Hokkaido-Universität In Sapporo hat Japan dank einer neuen Theorie, die durch Atomsimulationen entwickelt wurde, endlich genau das erreicht.

Ihr Erfolg löst ein seit langem bestehendes geologisches Rätsel namens „Dolomitenproblem“. Dolomit – ein wichtiges Mineral, das in den Dolomiten in Italien, den Niagarafällen, den weißen Klippen von Dover und Hoodoo in Utah vorkommt – ist in Gesteinen reichlich vorhanden Älter als 100 Millionen JahreIn jungen Formationen fehlt es jedoch fast vollständig.

Wenhao Sun, Dow-Assistenzprofessor für Materialwissenschaft und -technik an der University of Michigan, und Junsu Kim, Doktorandin der Materialwissenschaften und -technik in der Forschungsgruppe von Professor Sun, zeigen Dolomitgestein aus der Sammlung ihres Labors. Die beiden Wissenschaftler haben eine Theorie entwickelt, die endlich ein zwei Jahrhunderte altes Rätsel um den Dolomitreichtum auf der Erde klären könnte. Bildnachweis: Marcin Szczybanski, Senior Multimedia Storyteller, Michigan Engineering.

Die Bedeutung des Verständnisses des Dolomitwachstums

„Wenn wir verstehen, wie Dolomit in der Natur wächst, können wir möglicherweise neue Strategien erlernen, um das Kristallwachstum moderner Technologiematerialien zu verbessern“, sagte Wenhao Sun, Professor für Materialwissenschaften und -technik an der Dow University und korrespondierender Autor des Artikels, kürzlich. Veröffentlicht in Wissenschaften.

Das Geheimnis der endgültigen Züchtung von Dolomit im Labor bestand darin, Defekte in der Mineralstruktur während des Wachstums zu beseitigen. Wenn sich im Wasser Mineralien bilden, lagern sich die Atome normalerweise sauber am Rand der wachsenden Kristalloberfläche ab. Allerdings besteht die Wachstumskante von Dolomit aus abwechselnden Reihen von Kalzium und Magnesium. Im Wasser lagern sich Kalzium und Magnesium zufällig an den wachsenden Dolomitkristallen an, setzen sich oft an der falschen Stelle ab und erzeugen Defekte, die die Bildung weiterer Dolomitschichten verhindern. Diese Störung verlangsamt das Wachstum des Dolomits auf ein Kriechmaß, was bedeutet, dass es 10 Millionen Jahre dauern würde, nur eine Schicht geordneten Dolomits zu bilden.

Kantenstruktur aus Dolomitkristall. Reihen aus Magnesium (orangefarbene Kugeln) wechseln sich mit Reihen aus Kalzium (blaue Kugeln) ab, durchsetzt mit Carbonaten (schwarze Strukturen). Rosa Pfeile zeigen die Kristallwachstumsrichtungen. Kalzium und Magnesium binden oft falsch an die Wachstumskante und stoppen so das Dolomitwachstum. Bildquelle: Junsu Kim, Doktorandin in Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, University of Michigan.

Glücklicherweise werden diese Mängel nicht behoben. Da ungeordnete Atome weniger stabil sind als Atome in der richtigen Position, lösen sie sich als erste auf, wenn das Metall mit Wasser gewaschen wird. Durch wiederholtes Wegspülen dieser Verwerfungen – zum Beispiel durch Regen oder Gezeitenzyklen – kann sich die Dolomitschicht innerhalb weniger Jahre bilden. Im Laufe der geologischen Zeit können sich Dolomitberge ansammeln.

Fortgeschrittene Simulationstechniken

Um das Dolomitwachstum genau zu simulieren, mussten die Forscher berechnen, wie stark oder schwach die Atome an der Oberfläche des vorhandenen Dolomits befestigt waren. Genauere Simulationen erfordern die Energie jeder Wechselwirkung zwischen Elektronen und Atomen im wachsenden Kristall. Solche umfassenden Berechnungen erfordern normalerweise enorme Mengen an Rechenleistung, aber eine am Center for Predictive Structural Materials Science (PRISMS) der University of Maryland entwickelte Software bietet eine Abkürzung.

„Unsere Software berechnet die Energie einiger Atomanordnungen und extrapoliert sie dann, um die Energien anderer Anordnungen basierend auf der Symmetrie der Kristallstruktur vorherzusagen“, sagte Brian Buchala, einer der Hauptentwickler des Programms und assoziierter Forschungswissenschaftler an der Universität des Maryland-Departements. Materialwissenschaft und Ingenieurwesen.

Diese Abkürzung ermöglichte die Simulation des Dolomitwachstums über geologische Zeitskalen.

Dolomit ist ein Mineral, das in alten Gesteinen so häufig vorkommt, dass es Berge wie die gleichnamige Bergkette in Norditalien bildet. Aber Dolomit ist in jüngeren Gesteinen selten und kann nicht im Labor unter den Bedingungen hergestellt werden, unter denen es auf natürliche Weise entstanden ist. Eine neue Theorie hat Wissenschaftlern erstmals dabei geholfen, das Mineral im Labor bei normaler Temperatur und normalem Druck zu züchten, und könnte helfen, die Knappheit von Dolomit in jüngeren Gesteinen zu erklären. Bildquelle: Francesca.z73 über Wikimedia Commons.

„Jeder atomare Schritt dauert normalerweise mehr als 5.000 CPU-Stunden auf einem Supercomputer. Jetzt können wir die gleiche Berechnung in 2 Millisekunden auf einem Desktop durchführen“, sagte Junsu Kim, Doktorandin der Materialwissenschaften und -technik und Erstautorin der Studie.

Praktische Anwendung und theoretische Prüfung

Die wenigen Gebiete, in denen sich heute Dolomit bildet, werden zeitweise überschwemmt und trocknen später aus, was gut mit der Theorie von Sun und Kim übereinstimmt. Aber solche Beweise allein reichten nicht aus, um völlig überzeugend zu sein. Da kommen Yuki Kimura, Professorin für Materialwissenschaften an der Universität Hokkaido, und Tomoya Yamazaki, Postdoktorandin in Kimuras Labor. Sie testeten die neue Theorie mithilfe von Transmissionselektronenmikroskopen.

„Elektronenmikroskope verwenden normalerweise nur Elektronenstrahlen, um Proben abzubilden“, sagte Kimura. „Der Strahl kann das Wasser jedoch auch spalten, wodurch… sauer Dies kann dazu führen, dass sich die Kristalle auflösen. Das ist normalerweise eine schlechte Sache für die Fotografie, aber in diesem Fall ist die Zerlegung genau das, was wir wollten.

Nachdem sie einen kleinen Dolomitkristall in eine Lösung aus Kalzium und Magnesium gelegt hatten, ließen Kimura und Yamazaki den Elektronenstrahl zwei Stunden lang sanft 4.000 Mal pulsieren, um die Defekte zu beseitigen. Nach den Impulsen konnte beobachtet werden, wie der Dolomit um etwa 100 Nanometer wuchs, etwa 250.000 Mal kleiner als ein Zoll. Obwohl es sich dabei nur um 300 Dolomitschichten handelte, waren in einem Labor bisher nicht mehr als fünf Dolomitschichten gewachsen.

Die aus dem Dolomitproblem gewonnenen Erkenntnisse könnten Ingenieuren dabei helfen, hochwertigere Materialien für Halbleiter, Solarmodule, Batterien und andere Technologien herzustellen.

„Früher versuchten Kristallzüchter, die makellose Materialien herstellen wollten, diese sehr langsam zu züchten“, sagte Sun. „Unsere Theorie zeigt, dass man schnell fehlerfreie Materialien wachsen lassen kann, wenn man die Defekte während des Wachstums regelmäßig auflöst.“

Referenz: „Schmelzen ermöglicht das Wachstum von Dolomitkristallen bei nahezu Umgebungsbedingungen“ von Junsu Kim, Yuki Kimura, Brian Buchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker und Wenhao Sun, 23. November 2023, Wissenschaften.
doi: 10.1126/science.adi3690

Die Forschung wurde durch ein New Doctoral Investigator Grant der American Chemical Society PRF, des US-Energieministeriums und der Japan Society for the Promotion of Science finanziert.