Ученые раскрыли тайны формирования доломита в природе и воспроизвели этот процесс в лабораторных условиях. Рассматриваем, как простое устранение дефектов способствует ускорению роста кристаллов для современных материалов.
Инженеры из США и Японии сделали прорыв, решив геологическую загадку, которую ученые изучали более двухсот лет. Им удалось вырастить кристалл доломита в лаборатории, что ранее считалось невозможным. Результаты исследования не только проясняют механизм образования этого распространенного минерала, но и открывают новые возможности для создания современных материалов, сообщает ScienceDaily.
Доломит — это минерал, формирующий целые горные массивы, такие как Доломитовые Альпы в Италии. Он широко распространен в породах возрастом более 100 миллионов лет, но почти не встречается в молодых отложениях. Причина такой аномалии заключается в его уникальной кристаллической структуре.
«Если мы поймем, как доломит растет в природе, мы сможем разработать новые подходы для стимулирования роста кристаллов современных технологических материалов», — подчеркивает профессор из Мичиганского университета Вэньхао Сунь, ведущий автор исследования.
Сложность заключается в том, что кристалл доломита состоит из чередующихся слоев атомов кальция и магния. При попытке вырастить его в лаборатории эти элементы соединялись в хаотичном порядке, создавая дефекты, которые тормозили рост. По оценкам ученых, формирование одного идеального слоя могло занимать до 10 миллионов лет.
Ключ к разгадке оказался прост: природа не стремится вырастить идеальный кристалл сразу. Специалисты выяснили, что дефектные атомы на поверхности менее стабильны и легко растворяются в воде. В естественных условиях циклы приливов и отливов или дожди постоянно «смывают» эти ошибки. Со временем это позволяет формироваться новым, правильным слоям. Вместо миллионов лет на один слой минерал накапливается постепенно за гораздо более короткие сроки.
Чтобы подтвердить свою гипотезу, ученые создали специализированное программное обеспечение для атомного моделирования, которое дало возможность ускорить расчеты в тысячи раз. Затем эксперимент был подтвержден в японской лаборатории. «Мы использовали электронный микроскоп не для съемок, а для растворения дефектов», — рассказывает профессор из Университета Хоккайдо Юки Кимура.
Под воздействием электронного пучка, который создавал кислоту и растворял неправильно расположенные атомы, кристалл доломита вырос до 100 нанометров (300 слоев). Это стало настоящим достижением, так как ранее ученым удавалось получить не более пяти слоев.
Открытие имеет значительное практическое значение. Результаты показывают, что для получения кристаллов без дефектов не требуется ждать миллионы лет — достаточно периодически устранять ошибки в процессе роста. Такой подход может произвести революцию в производстве полупроводников, солнечных панелей и аккумуляторов, сделав современные технологии гораздо более эффективными и доступными.
Тем временем российские ученые приблизились к созданию мощных магнитов без редкоземельных элементов.
Фото: hi-tech.mail.ru