Ένα μυστήριο 200 ετών λύθηκε, καθώς οι επιστήμονες κατάφεραν τελικά να δημιουργήσουν δολομίτη στο εργαστήριο, μαθαίνοντας πώς να «ξεπλένουν» τις ατέλειές του.
Μετά από δύο αιώνες αποτυχημένων προσπαθειών, οι επιστήμονες κατάφεραν επιτέλους να δημιουργήσουν δολομίτη στο εργαστήριο, λύνοντας ένα μακροχρόνιο γεωλογικό αίνιγμα. Ανακάλυψαν ότι η ανάπτυξη του ορυκτού σταματά εξαιτίας μικροσκοπικών ελαττωμάτων — στη φύση όμως, αυτές οι ατέλειες «ξεπλένονται» με την πάροδο του χρόνου.
Μιμούμενη αυτή τη διαδικασία με προσομοιώσεις ακριβείας και παλμούς δέσμης ηλεκτρονίων, η ομάδα πέτυχε ανάπτυξη κρυστάλλων σε χρόνο ρεκόρ. Το εύρημα αυτό θα μπορούσε να αναδιαμορφώσει τον τρόπο κατασκευής υλικών υψηλής τεχνολογίας.
Ο Wenhao Sun, καθηγητής της έδρας Dow Early Career Assistant Professor στην Επιστήμη και Μηχανική Υλικών στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν, και ο Joonsoo Kim, διδακτορικός φοιτητής στην ίδια σχολή και μέλος της ερευνητικής ομάδας του καθηγητή Sun, παρουσιάζουν δείγματα δολομίτη από τη συλλογή του εργαστηρίου τους.
Το «πρόβλημα του δολομίτη»
Για περισσότερους από δύο αιώνες, οι επιστήμονες προσπαθούσαν χωρίς επιτυχία να αναπτύξουν δολομίτη στο εργαστήριο υπό συνθήκες που θεωρούνταν όμοιες με αυτές του φυσικού σχηματισμού του.
Μια πρόσφατη μελέτη άλλαξε επιτέλους τα δεδομένα. Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν και το Πανεπιστήμιο Χοκάιντο στο Σαπόρο της Ιαπωνίας τα κατάφεραν, αναπτύσσοντας μια νέα θεωρία βασισμένη σε λεπτομερείς ατομικές προσομοιώσεις.
Η εργασία τους λύνει ένα μακροχρόνιο γεωλογικό αίνιγμα, γνωστό ως το «Πρόβλημα του Δολομίτη». Ο δολομίτης είναι ένα ευρέως διαδεδομένο ορυκτό που συναντάται σε εμβληματικές τοποθεσίες, όπως οι ομώνυμοι Δολομίτες στην Ιταλία, οι καταρράκτες του Νιαγάρα και οι σχηματισμοί Hoodoos στη Γιούτα.
Αφθονεί σε πετρώματα ηλικίας άνω των 100 εκατομμυρίων ετών, ωστόσο σπάνια παρατηρείται ο σχηματισμός του σε πιο πρόσφατα περιβάλλοντα.
«Αν κατανοήσουμε πώς αναπτύσσεται ο δολομίτης στη φύση, ίσως μάθουμε νέες στρατηγικές για την προώθηση της κρυσταλλικής ανάπτυξης σύγχρονων τεχνολογικών υλικών», δήλωσε ο Wenhao Sun, καθηγητής στην έδρα Dow Early Career της Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών στο Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν (U-M) και κύριος συγγραφέας της μελέτης που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science.
Γιατί η ανάπτυξη του δολομίτη είναι τόσο αργή
Η βασική ανακάλυψη προήλθε από την κατανόηση του τι διαταράσσει τον δολομίτη καθώς σχηματίζεται. Στο νερό, τα ορυκτά συνήθως αναπτύσσονται καθώς τα άτομα προσκολλώνται με εύτακτο τρόπο στην επιφάνεια ενός κρυστάλλου.
Ο δολομίτης συμπεριφέρεται διαφορετικά επειδή η δομή του αποτελείται από εναλλασσόμενα στρώματα ασβεστίου και μαγνησίου. Καθώς ο κρύσταλλος αναπτύσσεται, αυτά τα δύο στοιχεία συχνά προσκολλώνται τυχαία αντί να ευθυγραμμίζονται σωστά. Αυτό δημιουργεί δομικά ελαττώματα που εμποδίζουν την περαιτέρω ανάπτυξη.
Το αποτέλεσμα είναι μια εξαιρετικά αργή διαδικασία. Με αυτόν τον ρυθμό, ο σχηματισμός ενός και μόνο εύτακτου στρώματος δολομίτη θα μπορούσε να διαρκέσει έως και 10 εκατομμύρια χρόνια.
Ο ενσωματωμένος μηχανισμός «επαναφοράς» της φύσης
Οι ερευνητές συνειδητοποίησαν ότι αυτά τα ελαττώματα δεν είναι μόνιμα. Τα άτομα που βρίσκονται σε λάθος θέση είναι λιγότερο σταθερά και είναι πιο πιθανό να διαλυθούν όταν εκτεθούν στο νερό. Στα φυσικά περιβάλλοντα, κύκλοι όπως η βροχόπτωση ή οι παλιρροϊκές μεταβολές «ξεπλένουν» επανειλημμένα αυτές τις προβληματικές περιοχές.
Με την πάροδο του χρόνου, αυτή η διαδικασία καθαρίζει την επιφάνεια, επιτρέποντας τον σχηματισμό νέων, σωστά διατεταγμένων στρωμάτων. Αντί να απαιτούνται εκατομμύρια χρόνια για ένα μόνο στρώμα, ο δολομίτης μπορεί σταδιακά να συσσωρευτεί σε πολύ μικρότερα χρονικά διαστήματα.
Σε βάθος μεγάλων γεωλογικών περιόδων, αυτό οδηγεί στα μεγάλα κοιτάσματα που παρατηρούνται στους αρχαίους σχηματισμούς πετρωμάτων.
Προσομοίωση της κρυσταλλικής ανάπτυξης σε ατομικό επίπεδο
Για να ελέγξει την ιδέα της, η ομάδα έπρεπε να μοντελοποιήσει τον τρόπο με τον οποίο αλληλεπιδρούν τα άτομα κατά τον σχηματισμό του δολομίτη. Αυτό απαιτεί τον υπολογισμό της ενέργειας που εμπλέκεται σε αμέτρητες αλληλεπιδράσεις μεταξύ ηλεκτρονίων και ατόμων, κάτι που συνήθως είναι εξαιρετικά απαιτητικό σε όρους υπολογιστικής ισχύος.
Ερευνητές στο Κέντρο PRISMS (Predictive Structure Materials Science) του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν ανέπτυξαν λογισμικό που απλοποιεί αυτή την πρόκληση. Υπολογίζει την ενέργεια για συγκεκριμένες ατομικές διατάξεις και στη συνέχεια προβλέπει τις υπόλοιπες με βάση τη συμμετρία της κρυσταλλικής δομής.
Από τις 5.000 ώρες στα 2 χιλιοστά του δευτερολέπτου
«Το λογισμικό μας υπολογίζει την ενέργεια για ορισμένες ατομικές διατάξεις και στη συνέχεια κάνει αναγωγή για να προβλέψει τις ενέργειες άλλων διατάξεων, με βάση τη συμμετρία της κρυσταλλικής δομής», δήλωσε ο Brian Puchala, ένας από τους κύριους δημιουργούς του λογισμικού και συνεργάτης ερευνητής στο Τμήμα Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών του Πανεπιστημίου του Μίσιγκαν (U-M).
Αυτή η προσέγγιση κατέστησε εφικτή την προσομοίωση της ανάπτυξης του δολομίτη σε χρονικές κλίμακες που αντικατοπτρίζουν τις πραγματικές γεωλογικές διεργασίες. «Κάθε ατομικό βήμα θα απαιτούσε κανονικά πάνω από 5.000 ώρες επεξεργαστικής ισχύος (CPU) σε έναν υπερυπολογιστή.
Τώρα, μπορούμε να κάνουμε τον ίδιο υπολογισμό σε 2 χιλιοστά του δευτερολέπτου σε έναν επιτραπέζιο υπολογιστή», δήλωσε ο Joonsoo Kim, διδακτορικός φοιτητής επιστήμης και μηχανικής υλικών και πρώτος συγγραφέας της μελέτης.
Πειραματική επιβεβαίωση της θεωρίας στο εργαστήριο
Τα φυσικά περιβάλλοντα όπου ο δολομίτης συνεχίζει να σχηματίζεται ακόμη και σήμερα υπόκεινται συχνά σε κύκλους πλημμύρας και επακόλουθης ξήρανσης, γεγονός που υποστηρίζει τη θεωρία της ομάδας.
Ωστόσο, εξακολουθούσε να είναι απαραίτητη η άμεση πειραματική επιβεβαίωση.
Όταν το “σφάλμα” γίνεται το κλειδί της επιτυχίας
Αυτή η απόδειξη προήλθε από τον Yuki Kimura, καθηγητή επιστήμης υλικών στο Πανεπιστήμιο Χοκάιντο, και τον Tomoya Yamazaki, μεταδιδακτορικό ερευνητή στο εργαστήριό του. Χρησιμοποίησαν μια ασυνήθιστη ιδιότητα των ηλεκτρονικών μικροσκοπίων διέλευσης για να αναπαράγουν τη διαδικασία.
«Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια συνήθως χρησιμοποιούν δέσμες ηλεκτρονίων μόνο για την απεικόνιση δειγμάτων», δήλωσε ο Kimura. «Ωστόσο, η δέσμη μπορεί επίσης να διασπάσει το νερό, δημιουργώντας ένα οξύ που μπορεί να προκαλέσει τη διάλυση των κρυστάλλων. Συνήθως αυτό είναι αρνητικό για την απεικόνιση, αλλά σε αυτή την περίπτωση, η διάλυση ήταν ακριβώς αυτό που θέλαμε».
Η ομάδα τοποθέτησε έναν μικρό κρύσταλλο δολομίτη σε ένα διάλυμα που περιείχε ασβέστιο και μαγνήσιο. Στη συνέχεια, εξέπεμψαν παλμούς της δέσμης ηλεκτρονίων 4.000 φορές μέσα σε δύο ώρες, διαλύοντας επανειλημμένα τα ελαττώματα καθώς αυτά σχηματίζονταν.
Μετά από αυτή τη διαδικασία, ο κρύσταλλος αναπτύχθηκε σε μέγεθος περίπου 100 νανομέτρων, δηλαδή σχεδόν 250.000 φορές μικρότερος από μία ίντσα. Αυτή η ανάπτυξη αντιστοιχούσε σε περίπου 300 στρώματα δολομίτη. Τα προηγούμενα πειράματα δεν είχαν καταφέρει ποτέ να παράγουν περισσότερα από πέντε στρώματα.
Επιπτώσεις για τη σύγχρονη τεχνολογία
Η επίλυση του «Προβλήματος του Δολομίτη» κάνει κάτι περισσότερο από το να εξηγεί ένα γεωλογικό μυστήριο. Προσφέρει επίσης πολύτιμες γνώσεις για το πώς να ελέγξουμε την κρυσταλλική ανάπτυξη σε προηγμένα υλικά που χρησιμοποιούνται στη σύγχρονη τεχνολογία.
«Στο παρελθόν, όσοι ήθελαν να δημιουργήσουν κρυστάλλους χωρίς ελαττώματα, προσπαθούσαν να τους αναπτύξουν πάρα πολύ αργά», δήλωσε ο Sun. «Η θεωρία μας δείχνει ότι μπορείς να αναπτύξεις υλικά χωρίς ελαττώματα γρήγορα, εάν διαλύεις περιοδικά τις ατέλειες κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης».
Αυτή η προσέγγιση θα μπορούσε να βοηθήσει στη βελτίωση της παραγωγής ημιαγωγών, ηλιακών πάνελ, μπαταριών και άλλων τεχνολογιών υψηλής απόδοσης. Η έρευνα χρηματοδοτήθηκε από την επιχορήγηση New Doctoral Investigator του American Chemical Society PRF, το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ και την Ιαπωνική Εταιρεία για την Προώθηση της Επιστήμης.