«مشکل دولومیت» معمای 200 ساله زمین شناسی حل شد

موفقیت آنها یک معمای دیرینه زمین شناسی به نام “مسئله دولومیت” یا Dolomite Problem را حل کرد. 

دولومیت، یک کانی کلیدی در کوه‌های دولومیت ایتالیا، آبشار نیاگارا، صخره‌های سفید دوور و هودوهای یوتا، در سنگ‌های قدیمی‌تر از 100 میلیون سال بسیار فراوان است، اما در  سازندهای جوانتر تقریباً وجود ندارد.

ونهائو سان، پروفسور علوم و مهندسی مواد Dow در UM و نویسنده مسئول مقاله که امروز در نشریه منتشر شد، گفت:

 “اگر ما درک کنیم که دولومیت چگونه در  طبیعت رشد میکند، ممکن است راهبردهای جدیدی برای ارتقای رشد کریستالی مواد با فناوری پیشرفته بیاموزیم.”

در نهایت راز رشد دولومیت در آزمایشگاه، از بین بردن نقص در ساختار معدنی در حین رشد بود. هنگامی که مواد معدنی در آب تشکیل می‌شوند، اتم ها معمولاً روی لبه سطح کریستال در حال رشد رسوب می‌کنند.

 با این حال، حاشیه رشد دولومیت از ردیف‌ های متناوب کلسیم و منیزیم تشکیل شده است.

 در آب، کلسیم و منیزیم بطور تصادفی به کریستال دولومیت در حال رشد متصل   میشوند و اغلب در جای نامناسبی قرار  می‌ گیرند و نقص هایی ایجاد می‌کنند که از  تشکیل لایه‌های جدید دولومیت جلوگیری می‌کند. 

این بی نظمی، رشد دولومیت را تا حد عدم تشکیل لایه جدید، کند می‌کند، به این معنی که ساختن تنها یک لایه دولومیت جدید 10 میلیون سال طول می‌کشد.

خوشبختانه این عیوب دائمی نیستند. از آنجایی که اتم‌های بی‌نظم نسبت به اتم‌ها در موقعیت صحیح پایداری کمتری دارند، اولین اتم‌هایی هستند که با شستن ماده معدنی، با آب حل می‌شوند. 

از طریق شستشوی مداوم و حذف این عیوب، به عنوان مثال از باران یا آب و هوا، یک لایه دولومیت در عرض چند سال تشکیل می‌شود. کوه‌ های دولومیت میتوانند در طول زمان زمین شناسی انباشته شوند.

برای شبیه‌ سازی دقیق رشد دولومیت، محققان باید محاسبه می‌کردند که اتم‌ها چقدر قوی یا ضعیف به سطح دولومیت موجود می‌چسبند.

دقیق ترین شبیه سازی‌ها به انرژی هر برهم کنش بین الکترون‌ ها و اتم‌ ها در   کریستال در حال رشد نیاز دارد. 

چنین  محاسبات جامعی معمولاً به مقادیر  زیادی قدرت محاسباتی نیاز دارند، اما نرم افزار  توسعه یافته در مرکز ساختار پیش بینی مواد (PRISMS) بعنوان یک میانبر کار را تسریع داد.

برایان پوچالا، یکی از توسعه دهندگان اصلی نرم افزار و دانشمند پژوهشی در بخش مواد UM می گوید: “نرم افزار ما انرژی را برای برخی آرایش‌های اتمی محاسبه میکند، سپس برای پیش بینی انرژی برای آرایش‌های دیگر بر اساس تقارن ساختار بلوری، برون یابی می‌کند.”

این میانبر امکان شبیه سازی رشد دولومیت را در  مقیاس‌ های زمانی زمین شناسی فراهم کرد.

«هر مرحله اتمی معمولاً بیش از 5000 ساعت CPU در یک ابررایانه طول می‌کشد. جونسو کیم، دانشجوی دکترای علوم و مهندسی مواد و اولین نویسنده این مطالعه، گفت: اکنون می‌توانیم همان محاسبه را در 2 میلی ثانیه روی یک رایانه رومیزی انجام دهیم.

 چنین شواهدی به تنهایی برای قانع‌ کننده بودن کافی نبود. یوکی کیمورا، استاد علم مواد در دانشگاه هوکایدو، و تومویا یامازاکی، محقق فوق دکترا در آزمایشگاه کیمورا به این پژوهش پیوست. آنها نظریه جدید را با استفاده از میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری آزمایش کردند.

کیمورا گفت: «میکروسکوپ‌های الکترونی معمولاً از پرتوهای الکترونی فقط برای تصویربرداری از نمونه‌ها استفاده می‌کنند. با این حال، پرتو همچنین می‌تواند آب را شکافته و اسیدی بسازد که می‌تواند باعث حل شدن کریستال‌ها شود. معمولاً این برای تصویربرداری بد است، اما در این مورد انحلال دقیقاً همان چیزی است که ما می‌خواستیم.

پس از قرار دادن یک بلور کوچک دولومیت در محلول کلسیم و منیزیم، کیمورا و یامازاکی به آرامی پرتو الکترونی را 4000 بار طی دو ساعت پالس کردند و نقص‌ها را حل کردند.

پس از پالس‌ها، دولومیت تقریباً 100 نانومتر رشد می‌کند (حدود 250000 بار کوچکتر از یک اینچ). اگرچه 300 لایه دولومیت وجود داشت، اما تا به حال بیش از 5 لایه دولومیت در آزمایشگاه رشد نکرده بودند.

درس‌های آموخته شده از مشکل دولومیت می‌تواند به مهندسان کمک کند تا مواد با  کیفیت بالاتر برای نیمه هادی‌ها، پنل‌های خورشیدی، باتری‌ها و سایر فناوری‌ها تولید کنند.

سان می‌گوید: «در گذشته، بلورسازانی که می‌خواستند مواد بدون نقص بسازند، سعی می‌کردند آن‌ها را به کندی رشد دهند. “تئوری ما نشان می‌دهد که اگر به طور  دوره‌ای عیوب را در طول رشد از بین ببرید، می‌توانید مواد بدون نقص را به سرعت رشد دهید.”

این تحقیق با کمک انجمن شیمی آمریکا، وزارت انرژی ایالات متحده و انجمن ارتقای علم ژاپن تامین شده است.