На протяжении 200 лет ученым не удавалось вырастить минерал доломит в лаборатории в условиях, имитирующих его естественное формирование. Наконец, команда исследователей из Мичиганского университета и Университета Хоккайдо добилась успеха благодаря новой теории, разработанной на основе атомного моделирования, сообщает Phys.org.
Их успех решает давнюю геологическую загадку — «Проблему доломитов». Доломит — ключевой минерал Доломитовых Альп в Италии, Ниагарского водопада, Белых скал Дувра и Худу в штате Юта. Он очень распространен в породах возрастом 100 млн лет, но почти отсутствует в более молодых образованиях.
При выращивании доломита в лаборатории важно устранить дефекты в его структуре по мере роста. В процессе образования доломита в воде, атомы кальция и магния должны аккуратно осаждаться на поверхности кристалла. Однако атомы кальция и магния прикрепляются к доломиту случайным образом, часто не в нужном месте, что создает дефекты и препятствует формированию дополнительных слоев доломита и замедляет его рост. Для формирования даже одного слоя упорядоченного доломита может понадобиться до 10 млн лет.
Эти дефекты сохраняются в минерале. Поскольку неупорядоченные атомы менее стабильны, чем атомы в правильном положении, они растворяются первыми при промывании минерала водой. Многократное смывание этих дефектов, например, дождями или приливами, позволяет сформировать слой доломита всего за несколько лет. За геологическое время могут накопиться горы доломита.
Для точного моделирования роста доломита исследователям нужно было рассчитать, как сильно атомы будут привязываться к уже существующей поверхности доломита. Для этого требуется вычислить энергию каждого отдельного взаимодействия между электронами и атомами в растущем кристалле. Обычно такие вычисления требуют больших мощностей, но разработанное исследователями программное обеспечение предлагает более эффективный путь.
Это программное обеспечение определяет энергию для различных атомных расположений в доломите. Затем на основе симметрии кристаллической структуры предсказывается энергия для других расположений.
Ранее на суперкомпьютере каждый атомный шаг в расчете занимал более 5000 часов процессорного времени. Благодаря новому ПО тот же расчет теперь может быть выполнен на настольном компьютере за 2 миллисекунды. Это сокращает время, необходимое для проведения расчетов, и позволяет исследователям быстрее изучать процесс роста доломита в геологических временных масштабах.
Те немногие районы, где сегодня образуется доломит, периодически затопляются, а затем высыхают, что хорошо согласуется с теорией ученых. Чтобы подтвердить ее, они использовали трансмиссионный электронный микроскоп. Ученые поместили маленький кристалл доломита в раствор, содержащий кальций и магний. Затем они аккуратно направили электронный луч на кристалл, растворяя дефекты. В ходе эксперимента они повторили этот процесс более 4000 раз в течение двух часов.
После каждого импульса доломит вырастал на 100 нанометров, что соответствует размеру в 250 000 раз меньше дюйма. Хотя в результате этих экспериментов удалось получить только около 300 слоев доломита, это представляет значительный прогресс, так как ранее в лаборатории нельзя было выращивать более пяти слоев доломита. Эти результаты подкрепляют новую теорию о росте доломита и помогают лучше понять процессы его формирования.
Открытие поможет инженерам производить качественные материалы для полупроводников, солнечных панелей, батарей и других технологий.
Кстати, доломит находили на астероиде Рюгу. Образцы, доставленные на Землю, содержали химические соединения, указывающие на наличие воды.
