科学者たちは成長中に構造的欠陥を溶解し、最終的に実験室で白雲石の成長に成功しました。

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白雲石の結晶端の構造マグネシウム熱(オレンジ色球体)がカルシウム熱(青色球体)と交互に並んでおり、炭酸塩(黒色構造)が散在しています。 ピンク色の矢印は結晶成長方向を示す。 カルシウムとマグネシウムは成長端に不適切に付着して白雲石の成長を止めることが多い。 クレジット:キム・ジュンス、ミシガン大学

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白雲石の結晶端の構造マグネシウム熱(オレンジ色球体)がカルシウム熱(青色球体)と交互に並んでおり、炭酸塩(黒色構造)が散在しています。 ピンク色の矢印は結晶成長方向を示す。 カルシウムとマグネシウムは成長端に不適切に付着して白雲石の成長を止めることが多い。 クレジット:キム・ジュンス、ミシガン大学

200年間、科学者たちは自然に形成されたと考えられる条件下で実験室で一般的な鉱物を成長させることに失敗しました。 今、日本のミシガン大学と日本の札幌の北海道大学研究チームが、原子シミュレーションで開発された新しい理論のおかげで、ついに成功しました。

彼らの成功は、「白雲石の問題」と呼ばれる長い地質学的謎を解決しました。 イタリアのドロミテ山脈、ナイアガラの滝、ドーバー白亜の崖、ユタ・フドゥスの主要鉱物である白雲石は、岩石に非常に豊富です。 1億年以上しかし、若い組織ではほとんど存在しません。

「私たちが自然の中で白雲石がどのように成長するかを理解するならば、現代の技術材料の結晶成長を促進する新しい戦略を学ぶことができます」は言った。 今日 科学

最後に、白雲石を実験室で成長させることができた秘訣は、成長しながら鉱物構造の欠陥を取り除くことでした。 ミネラルが水で形成されると、原子は通常成長する結晶表面の端にきれいに沈殿します。 しかし、白雲石の成長端にはカルシウムとマグネシウムが交互に並んでいます。

水中では、カルシウムとマグネシウムは成長する白雲石結晶にランダムに付着し、しばしば間違った点に留まり、追加の白雲石層が形成されるのを防ぐ欠陥を生成します。 この障害は、白雲石の成長をクロール速度で遅らせます。

幸いなことに、これらの欠陥は所定の位置に固定されていません。 無秩序な原子は正しい位置にある原子よりも不安定であるため、鉱物を水で洗浄すると最初に溶解します。 たとえば、雨や潮の周期などでこれらの欠陥を繰り返し洗い流すと、わずか数年で白雲石層が形成される可能性があります。 地質学的時間が経つにつれて、白雲石の山が積み重ねられます。

白雲石の成長を正確にシミュレートするために、研究者は原子が既存の白雲石の表面にどれだけ強くまたは緩く付着しているかを計算する必要がありました。 最も正確なシミュレーションには、成長する結晶の電子と原子の間のすべての単一相互作用のエネルギーが必要です。 この徹底的な計算には通常、膨大な量のコンピューティングパフォーマンスが必要ですが、UMのPRISMS(Predictive Structure Materials Science)センターで開発されたソフトウェアは近道を提供しました。

クレジット:ミシガン大学

「我々のソフトウェアは、原子配列のいくつかのエネルギーを計算し、結晶構造の対称性に基づいて他のアレイのエネルギーを予測するために推定しています」と、ソフトウェアシニア開発者の一人であり、UM材料学と副研究科学者であるBrian Puchala氏は語った。 。 科学と工学。

これらのショートカットにより、地質学的時間スケールによる白雲石の成長をシミュレートすることが可能になりました。

今回の研究の第一著者であり、材料工学博士課程の学生であるキム・ジュンスは「各原子段階は一般的にスーパーコンピュータで5,000 CPU時間以上かかります。デスクトップでは2ミリ秒で同じ計算を行うことができます」と話しました。 。

今日、白雲石が形成されている少数の地域は断続的に氾濫し、後で乾燥しており、これはSunとKimの理論とよく一致しています。 しかし、そのような証拠だけでは完全に説得力を持つには十分ではありませんでした。 北海道大学の材料科学教授である木村由紀と木村研究室の博士後研究者である山崎智也に会いましょう。 彼らは珍しい透過電子顕微鏡を使って新しい理論をテストしました。

「電子顕微鏡は、通常、サンプルを画像化するために電子ビームを使用する」とKimuraは言った。 「しかし、ビームは水を分解して結晶を溶解することができる酸を生成する可能性があります。一般に、これはイメージングには悪いですが、この場合、溶解は正確に私たちが望んでいました」

小さなドロマイト結晶をカルシウムとマグネシウムの溶液に入れた後、木村と山崎は2時間かけて電子ビームを4,000回スムーズにパルスして欠陥を溶解させました。 パルス後、白雲石は約100ナノメートル(1インチより約250,000倍小さいサイズ)に成長することがわかりました。 これは300階建ての白雲石でしたが、以前は実験室で5階以上の白雲石を成長させたことはありませんでした。

白雲石の問題で学んだ教訓は、エンジニアが半導体、ソーラーパネル、バッテリー、その他の技術のための高品質の材料を製造するのに役立ちます。

「過去に欠陥のない材料を作りたいクリスタル栽培者は、材料を非常にゆっくり成長させようとしました」とSunは言いました。 「私たちの理論は、成長中に定期的に欠陥を溶解すると、欠陥のない物質を急速に成長させることができることを示しています。」

追加情報:
キム・ジュンスのほか、溶解は周囲条件付近で白雲石結晶成長を可能にします。 科学 (2023). DOI:10.1126/science.adi3690www.science.org/doi/10.1126/science.adi3690

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Omori Yoshiaki

ミュージックホリック。フードエバンジェリスト。学生。認定エクスプローラー。受賞歴のあるウェブエキスパート。」

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