作者:许悦 来源:中国科学报 发布时间:2023/11/28 15:34:24
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200年地质之谜破解!实验室矿物晶体生长有了“捷径”

 

如今,人工培育矿物并不罕见,比如钻石、水晶等。

所谓“人工培育”是在实验室中模拟矿物形成的自然条件,以生成矿物。但200年来有一种矿物,科学家始终没能在实验室中培育出来,那就是白云岩。因为,其自然成因一直存在争议。这又被称作“白云岩问题”。

现在,来自美国密歇根大学和日本北海道大学的研究人员成功解开了“白云岩问题”这一地质谜团,实现该矿物的实验室培育。而这要归功于他们从原子模拟中发展出的新理论。相关研究近日发表于《科学》。

1791年,法国地质学家Deo Dolomieu在意大利东北部的多洛米蒂山首次发现并命名了白云岩这种矿物。它多出现在1亿年前的岩层中,而在较年轻的岩层中几乎很难寻到它的踪影。

自白云岩被发现后的两个多世纪中,其起源问题成为研究争论的核心。

“如果我们能了解白云岩在自然界中是如何生长的,可能会从中得到促进现代技术材料晶体生长的新策略。”密歇根大学教授、论文通讯作者孙文浩(音)说。

孙文浩等人通过研究发现,在实验室培育出白云岩的秘诀是在其生长过程中去除矿物结构缺陷。

当矿物在水中形成时,原子通常整齐地沉积在晶体表面的边缘。研究人员发现,白云岩晶体边缘由交替排列的钙和镁组成。党旗在水中生长时,钙和镁会随机附着在生长中的晶体上,通常沉积在错误的位置,从而产生结构缺陷,阻止岩层的形成。这使得白云岩生长缓慢,意味着或许得1000万年才能形成一层有序的白云岩。

不过,这些导致结构缺陷的无序原子比处于正确位置的原子更不稳定,所以当用水洗矿物时,它们是最先被溶解的,比如通过雨水或潮汐的反复冲刷,就能够去除这些缺陷,因此实际上只需几年时间就能形成白云岩层。随着地质时间推移,大量的白云岩会堆积起来。

为了在实验室中准确模拟白云岩的生长过程,研究人员需要计算原子附着在现有白云岩表面的强度或松散程度。而这种详尽的计算通常需要足够强的算力。于是,密歇根大学预测结构材料科学中心开发了一种软件,为模拟计算打通了一条捷径。

“我们的软件可以计算一些原子排列的能量,然后根据晶体结构的对称性进行推算,预测其他原子排列的能量。”该软件主要开发人员之一、密歇根大学副研究员Brian Puchala说,该软件使研究人员可以在地质时间尺度上模拟白云岩的生长。

如今,形成白云岩的少数地区是间歇河,即出现间歇性洪水,随后干涸。这与孙文浩等人的理论非常一致。但仅凭上述证据还不足以完全令人信服。

为此,北海道大学教授Yuki Kimura及其实验室的博士后Tomoya Yamazaki加入孙文浩等人的研究队伍。他们用一种奇特的透射电子显微镜对新理论进行了检测。

“电子显微镜通常发射电子束对样本进行成像。然而,电子束会分解水,从而产生酸,导致晶体溶解。这通常不利于成像。但这正是我们想要的。”Kimura说。

在将一个微小的白云岩晶体放入钙和镁的溶液中后,Kimura和Yamazaki在两个小时内发出轻微电子脉冲束4000次,消除了晶体结构缺陷。这之后白云岩晶体生长了大约100纳米。尽管这只相当于生长了300层白云岩,但以前实验室中从未生长过超过5层的白云岩。

研究人员从解决“白云岩问题”过程中得到的经验可以帮助工程师找到制造更高质量材料的技术。

“过去,想要制造没有缺陷的材料,需要在实验室慢慢培育。而我们的研究理论表明,如果在生长过程中周期性地溶解材料结构缺陷,就可以快速生长出无缺陷的材料。”孙文浩说。

相关论文信息:https://doi.org/10.1126/science.adi3690

 
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