البروفيسور وينهاو صن يعرض الدولوميت من مجموعته الشخصية من الصخور. تدرس صن النمو البلوري للمعادن من منظور علم المواد. ومن خلال فهم كيفية تجمع الذرات معًا لتكوين معادن طبيعية، يعتقد أنه يمكننا الكشف عن الآليات الأساسية لنمو البلورات، والتي يمكن استخدامها لصنع مواد وظيفية بسرعة وكفاءة أكبر. الائتمان: مارسين سزكزيبانسكي، كبير رواة القصص بالوسائط المتعددة، هندسة ميشيغان.
لإنشاء جبال من الدولوميت، وهو معدن شائع، يجب إذابته بشكل دوري. هذا المفهوم الذي يبدو متناقضًا يمكن أن يساعد في إنتاج منتجات جديدة خالية من العيوب. أشباه الموصلات و اكثر.
لمدة قرنين من الزمن، فشل العلماء في إنتاج معدن شائع في المختبر في ظل الظروف التي يعتقد أنها تكونت بشكل طبيعي. اليوم، قام فريق من الباحثين من جامعة ميشيغان و جامعة هوكايدو في سابورو باليابان، نجح أخيرًا، وذلك بفضل نظرية جديدة تم تطويرها من خلال عمليات المحاكاة الذرية.
ويحل نجاحهم لغزًا جيولوجيًا طويل الأمد يسمى “مشكلة الدولوميت”. الدولوميت، وهو معدن رئيسي في جبال الدولوميت في إيطاليا، وشلالات نياجرا وهودو في ولاية يوتا، متوافر بكثرة في الصخور. عمرها أكثر من 100 مليون سنةلكنه يكاد يكون غائبا في التشكيلات الأصغر سنا.
وينهاو صن، أستاذ مساعد داو لعلوم وهندسة المواد في بداية حياته المهنية في جامعة ميشيغان، وجونسو كيم، طالب دكتوراه في علوم وهندسة المواد في مجموعة أبحاث البروفيسور صن، يعرضان صخور الدولوميت من مجموعتهما المعملية. وطوَّر العالمان نظرية يمكن أن تفسر أخيرًا لغزًا دام قرنين من الزمان فيما يتعلق بوفرة الدولوميت على الأرض. الائتمان: مارسين سزكزيبانسكي، كبير رواة القصص بالوسائط المتعددة، هندسة ميشيغان.
أهمية فهم نمو الدولوميت
قال وينهاو صن، أستاذ علوم وهندسة المواد في جامعة UM والمؤلف المقابل للمقالة مؤخرًا: “إذا فهمنا كيف ينمو الدولوميت في الطبيعة، فيمكننا تعلم استراتيجيات جديدة لتعزيز نمو البلورات في المواد التكنولوجية الحديثة”. نشرت في علم.
كان سر نمو الدولوميت أخيرًا في المختبر هو إزالة العيوب في البنية المعدنية أثناء نموه. عندما تتشكل المعادن في الماء، فإن الذرات عادة ما تستقر بدقة على إحدى حواف السطح البلوري المتنامي. ومع ذلك، فإن حدود نمو الدولوميت تتكون من صفوف متناوبة من الكالسيوم والمغنيسيوم. في الماء، يلتصق الكالسيوم والمغنيسيوم بشكل عشوائي ببلورات الدولوميت المتنامية، وغالبًا ما يستقران في المكان الخطأ ويخلقان عيوبًا تمنع تكوين طبقات إضافية من الدولوميت. يؤدي هذا الاضطراب إلى إبطاء نمو الدولوميت بشكل كبير، مما يعني أن الأمر سيستغرق 10 ملايين سنة لإنتاج طبقة واحدة من الدولوميت المرتب.
هيكل حافة الكريستال الدولوميت. صفوف من المغنيسيوم (كرات برتقالية) تتناوب مع صفوف من الكالسيوم (كرات زرقاء) وتتخللها كربونات (هياكل سوداء). تظهر الأسهم الوردية اتجاهات نمو البلورة. غالبًا ما يلتصق الكالسيوم والمغنيسيوم بشكل سيئ بحافة النمو، مما يوقف نمو الدولوميت. المصدر: جونسو كيم، طالب دكتوراه في علوم وهندسة المواد، جامعة ميشيغان.
ولحسن الحظ، لم يتم تأمين هذه العيوب. ونظرًا لأن الذرات غير المنتظمة أقل استقرارًا من الذرات الموجودة في الموضع الصحيح، فهي أول من يذوب عند غسل المعدن بالماء. إن التنظيف المتكرر لهذه العيوب، على سبيل المثال مع دورات المطر أو المد والجزر، يسمح بتكوين طبقة من الدولوميت في غضون بضع سنوات فقط. مع مرور الوقت الجيولوجي، يمكن أن تتراكم جبال الدولوميت.
تقنيات المحاكاة المتقدمة
لمحاكاة نمو الدولوميت بدقة، كان على الباحثين حساب القوة، أو القوة، التي سترتبط بها 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 هائلة من الطاقة الحاسوبية، لكن البرامج التي تم تطويرها في مركز علوم المواد الإنشائية التنبؤية (PRISMS) التابع لجامعة UM قدمت اختصارًا.
يقول بريان بوشالا، أحد المطورين الرئيسيين للبرنامج والباحث المشارك في قسم الفيزياء: “يقوم برنامجنا بحساب طاقة بعض الترتيبات الذرية ثم يقوم باستقراءها للتنبؤ بطاقات الترتيبات الأخرى بناءً على تماثل البنية البلورية”. أم. لعلوم وهندسة المواد.
هذا الاختصار جعل من الممكن محاكاة نمو الدولوميت على فترات زمنية جيولوجية.
الدولوميت هو معدن شائع جدًا في الصخور القديمة لدرجة أنه يشكل جبالًا مثل سلسلة الجبال هذه التي تحمل الاسم نفسه في شمال إيطاليا. لكن الدولوميت نادر في الصخور الأحدث ولا يمكن تصنيعه في المختبر في ظل الظروف التي تشكل فيها بشكل طبيعي. ساعدت نظرية جديدة العلماء على تنمية المعدن في المختبر في درجة الحرارة والضغط العاديين لأول مرة، ويمكن أن تساعد في تفسير ندرة الدولوميت في الصخور الأحدث. مصدر الصورة: Francesca.z73 عبر ويكيميديا كومنز.
“ستتطلب كل خطوة ذرية عادة أكثر من 5000 ساعة معالج على جهاز كمبيوتر عملاق. وقال جونسو كيم، طالب الدكتوراه في علوم وهندسة المواد والمؤلف الأول للدراسة: “يمكننا الآن إجراء نفس العملية الحسابية في 2 مللي ثانية على جهاز كمبيوتر مكتبي”.
التطبيق العملي واختبار النظرية
المناطق القليلة التي يتشكل فيها الدولوميت اليوم تغمرها المياه بشكل متقطع ثم تجف، وهو ما يتناسب تمامًا مع نظرية صن وكيم. لكن مثل هذه الأدلة وحدها لم تكن كافية لتكون مقنعة تماما. أدخل يوكي كيمورا، أستاذ علوم المواد في جامعة هوكايدو، وتومويا يامازاكي، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر كيمورا. لقد اختبروا النظرية الجديدة باستخدام مجاهر إلكترونية ناقلة الحركة.
وقال كيمورا: “عادةً ما تستخدم المجاهر الإلكترونية حزمًا إلكترونية لتصوير العينات فقط”. “ومع ذلك، يمكن للشعاع أيضًا أن يقسم الماء، مما يجعل حامض هذا يمكن أن يسبب ذوبان البلورات. عادةً ما يكون هذا أمرًا سيئًا بالنسبة للتصوير، لكن في هذه الحالة يكون التحلل هو بالضبط ما كنا نبحث عنه.
بعد وضع بلورة دولوميت صغيرة في محلول من الكالسيوم والمغنيسيوم، قام كيمورا ويامازاكي بنبض شعاع الإلكترون بلطف 4000 مرة على مدار ساعتين، مما أدى إلى حل العيوب. وبعد النبضات، نما حجم الدولوميت بحوالي 100 نانومتر، أو حوالي 250 ألف مرة أصغر من حجم الإبهام. على الرغم من أنها كانت تتكون من 300 طبقة فقط من الدولوميت، لم يتم من قبل زراعة أكثر من خمس طبقات من الدولوميت في المختبر.
يمكن للدروس المستفادة من مشكلة الدولوميت أن تساعد المهندسين على صنع مواد أفضل لأشباه الموصلات والألواح الشمسية والبطاريات وغيرها من التقنيات.
وقال سون: “في الماضي، حاول علماء البلورات الذين أرادوا صنع مواد خالية من العيوب زراعتها ببطء شديد”. “تُظهر نظريتنا أنه يمكنك زراعة مواد خالية من العيوب بسرعة إذا قمت بإذابة العيوب بشكل دوري أثناء النمو.”
المرجع: “يسمح الذوبان لبلورات الدولوميت بالنمو بالقرب من الظروف المحيطة” بقلم جونسو كيم، ويوكي كيمورا، وبريان بوشالا، وتومويا يامازاكي، وأودو بيكر، ووينهاو صن، 23 نوفمبر 2023، علم.
دوى: 10.1126/science.adi3690
تم تمويل البحث من خلال منحة PRF New Doctoral Investigator من الجمعية الكيميائية الأمريكية، ووزارة الطاقة الأمريكية، والجمعية اليابانية لتعزيز العلوم.
