البروفيسور وينهاو صن يعرض الدولوميت من مجموعته الشخصية من الصخور. تدرس SUN النمو البلوري للمعادن من منظور علم المواد. وهو يعتقد أنه من خلال فهم كيفية اتحاد الذرات لتكوين معادن طبيعية، يمكننا الكشف عن الآليات الأساسية لنمو البلورات، والتي يمكن استخدامها لإنشاء مواد وظيفية بسرعة وكفاءة. الائتمان: مارسين سزكزيبانسكي، كبير رواة القصص بالوسائط المتعددة، هندسة ميشيغان.
لإنشاء جبال من معدن عادي، الدولوميت، يجب أن يذوب بشكل دوري. يساعد هذا المفهوم الذي يبدو متناقضًا في جعل الرواية أقل عيوبًا أشباه الموصلات أكثر من ذلك.
على مدار قرنين من الزمان، فشل العلماء في إنتاج معدن شائع في المختبر في ظل ظروف يُعتقد أنها تشكلت بشكل طبيعي. الآن، قام فريق من الباحثين من جامعة ميشيغان و جامعة هوكايدو وبفضل نظرية جديدة تم تطويرها من عمليات المحاكاة النووية في سابورو باليابان، تمكنت اليابان أخيرًا من تحقيق ذلك.
نجاحهم يحل لغزًا جيولوجيًا طويل الأمد يُعرف باسم “مشكلة الدولوميت”. الدولوميت – معدن رئيسي موجود في جبال الدولوميت في إيطاليا، وشلالات نياجرا، وهودو في ولاية يوتا، وهو متوافر بكثرة في الصخور. منذ 100 مليون سنةولكن في الأنظمة الأصغر سنا لا يوجد تقريبا.
وينهاو صن، الأستاذ المساعد في قسم علوم وهندسة المواد في جامعة ميشيغان، وجونسو كيم، طالب الدكتوراه في علوم وهندسة المواد في مجموعة أبحاث البروفيسور صن، يعرضان صخور الدولوميت في مجموعة مختبرهما. وقد طور العالمان نظرية يمكن أن تفسر أخيرًا لغزًا عمره قرنين من الزمن يحيط بوفرة الدولوميت على الأرض. الائتمان: مارسين سزكزيبانسكي، كبير رواة القصص بالوسائط المتعددة، هندسة ميشيغان.
أهمية فهم تطوير الدولوميت
وقال وينهاو صن، أستاذ علوم وهندسة المواد في جامعة ميريلاند والمؤلف المشارك في الدراسة: “إذا فهمنا كيف ينمو الدولوميت في الطبيعة، فيمكننا تعلم استراتيجيات جديدة لتحسين النمو البلوري للمواد التكنولوجية الحديثة”. نشرت في علوم.
إن سر زراعة الدولوميت أخيرًا في المختبر هو إزالة العيوب في بنية المعدن أثناء نموه. عندما تتشكل المعادن في الماء، تترسب الذرات عادة بشكل أنيق على طول إحدى حواف السطح البلوري المتنامي. ومع ذلك، فإن هامش نمو الدولوميت يحتوي على تسلسلات متناوبة من الكالسيوم والمغنيسيوم. في الماء، يرتبط الكالسيوم والمغنيسيوم بشكل عشوائي ببلورة الدولوميت المتنامية، وغالبًا ما يستقران في المكان الخطأ، مما يؤدي إلى حدوث عيوب تمنع تكوين طبقات إضافية من الدولوميت. يؤدي هذا الاضطراب إلى إبطاء نمو الدولوميت، مما يعني أن تكوين طبقة واحدة من الدولوميت يستغرق 10 ملايين سنة.
هيكل حافة الكريستال الدولوميت. صفوف من المغنيسيوم (كرات برتقالية) تتناوب مع صفوف من الكالسيوم (كرات زرقاء) تتخللها كربونات (هياكل سوداء). تظهر الأسهم الوردية اتجاهات نمو البلورة. غالبًا ما يتحد الكالسيوم والمغنيسيوم بشكل غير صحيح عند حافة النمو، مما يوقف نمو الدولوميت. الائتمان: جونسو كيم، طالب دكتوراه، علوم وهندسة المواد، جامعة ميشيغان.
ولحسن الحظ، فإن هذه العيوب ليست ثابتة في مكانها. ونظرًا لأن الذرات المضطربة أقل استقرارًا من الذرات المتوضعة بشكل صحيح، فإنها تذوب أولاً عند غسل المعدن بالماء. إن التنظيف المتكرر لهذه العيوب ـ على سبيل المثال، عن طريق هطول الأمطار أو دورات المد والجزر ـ يسمح لطبقة الدولوميت بالتشكل في غضون سنوات قليلة فقط. مع مرور الوقت الجيولوجي، يمكن أن تتراكم جبال الدولوميت.
تقنيات المحاكاة المتقدمة
لمحاكاة نمو الدولوميت بدقة، يحتاج الباحثون إلى حساب مدى قوة أو ضعف ارتباط الذرات بسطح الدولوميت الموجود. تتطلب عمليات المحاكاة الأكثر دقة طاقة كل تفاعل بين الإلكترونات والذرات في البلورة المتنامية. تتطلب مثل هذه الحسابات الشاملة عادةً كميات كبيرة من القدرة الحاسوبية، لكن البرامج التي تم تطويرها في مركز علوم المواد الهيكلية التنبؤية (PRISMS) التابع لجامعة UM قدمت اختصارًا.
وقال بريان بوشالا، أحد المطورين الرئيسيين للبرنامج وعالم أبحاث مشارك في القسم بجامعة UM: “يحسب برنامجنا الطاقات لترتيبات ذرية معينة ثم يتوسع للتنبؤ بالطاقات لترتيبات أخرى بناءً على تماثل البنية البلورية”. علم و هندسة المواد.
وقد أتاح هذا التقاطع محاكاة نمو الدولوميت على فترات زمنية جيولوجية.
الدولوميت هو معدن شائع جدًا في الصخور القديمة التي تشكل الجبال مثل سلسلة الجبال التي تحمل نفس الاسم في شمال إيطاليا. لكن الدولوميت نادر في الصخور الأحدث ولا يمكن تخليقه في المختبر في ظل الظروف التي تشكل فيها بشكل طبيعي. وسمحت نظرية جديدة للعلماء بزراعة المعدن في المختبر في درجة حرارة وضغط عاديين لأول مرة، وساعدت في تفسير نقص الدولوميت في الصخور الأحدث. مصدر الصورة: Francesca.z73 عبر ويكيميديا كومنز.
“عادةً ما تستغرق كل خطوة ذرية أكثر من 5000 ساعة من وحدة المعالجة المركزية على الكمبيوتر العملاق. قال جونسو كيم، طالب دكتوراه في علوم وهندسة المواد والمؤلف الأول للدراسة: “الآن، يمكن إجراء نفس الحساب على سطح المكتب خلال 2 مللي ثانية”.
التطبيق العملي واختبار النظرية
بعض المناطق التي يتشكل فيها الدولوميت اليوم تغمرها المياه بشكل متقطع ثم تجف، وهو ما يتفق جيدًا مع نظرية صن وكيم. لكن مثل هذه الأدلة وحدها لا تكفي للاقتناع التام. أدخل يوكي كيمورا، أستاذ علوم المواد في جامعة هوكايدو، وتومويا يامازاكي، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر كيمورا. لقد اختبروا النظرية الجديدة مع شذوذات المجاهر الإلكترونية النافذة.
وقال كيمورا: “عادةً ما تستخدم المجاهر الإلكترونية أشعة الإلكترون فقط لتصوير العينات”. “ومع ذلك، يمكن للشعاع أيضًا فصل الماء، مما يخلق حامض هذا سوف يذوب البلورات. عادةً ما يكون هذا أمرًا سيئًا بالنسبة للتصوير، لكن في هذه الحالة، التحلل هو بالضبط ما أردناه.”
بعد وضع بلورة دولوميت صغيرة في محلول من الكالسيوم والمغنيسيوم، قام كيمورا ويامازاكي بنبض أشعة الإلكترون ببطء 4000 مرة على مدى ساعتين لإذابة العيوب. وبعد النبضات، زاد حجم الدولوميت إلى ما يقرب من 100 نانومتر، أي أصغر بـ 250 ألف مرة من البوصة الواحدة. على الرغم من أن هذه ليست سوى 300 طبقة من الدولوميت، لم يتم زراعة الدولوميت أكثر من خمس طبقات في المختبر من قبل.
يمكن للدروس المستفادة من مشكلة الدولوميت أن تساعد المهندسين على إنتاج مواد عالية الجودة لأشباه الموصلات والألواح الشمسية والبطاريات وغيرها من التقنيات.
وقال سون: “في الماضي، كان مزارعو الكريستال الذين يريدون إنتاج مواد خالية من العيوب يحاولون زراعتها ببطء”. “تظهر نظريتنا أن المواد الخالية من العيوب يمكن أن تنمو بسرعة إذا تم حل العيوب بشكل دوري أثناء النمو.”
المرجع: جونسو كيم، ويوكي كيمورا، وبريان بوشالا، وتومويا يامازاكي، وأودو بيكر، ووينهاو صن، 23 نوفمبر 2023، “الذوبان يمكّن من نمو كريستال الدولوميت في الظروف المحيطة القريبة” علوم.
دوى: 10.1126/science.adi3690
تم تمويل هذا البحث من قبل منحة محقق الدكتوراه الجديدة للجمعية الكيميائية الأمريكية PRF، ووزارة الطاقة الأمريكية، والرابطة اليابانية لتقدم العلوم.
