Геологи и материаловеды из Мичиганского университета и Университета Хоккайдо представили решение «доломитовой проблемы», которая оставалась одной из главных загадок в науках о Земле более двух столетий. Несмотря на широкое распространение доломита в древних горных породах, ученым долгое время не удавалось вырастить этот минерал в лаборатории при условиях, соответствующих природным. Результаты исследования, опубликованные в журнале Science, объясняют причины аномально медленного роста кристаллов и предлагают метод ускоренного синтеза бездефектных материалов.
Основная сложность формирования доломита заключается в его атомной структуре, состоящей из строго чередующихся слоев кальция и магния. В водном растворе атомы этих элементов часто занимают неверные позиции, создавая структурные дефекты, которые блокируют дальнейший рост кристаллической решетки. По оценкам исследователей, формирование одного упорядоченного слоя минерала в стабильных условиях могло бы занять до десяти миллионов лет. Это объясняет, почему доломит практически не образуется в современных геологических средах, но в избытке встречается в пластах возрастом более 100 миллионов лет, таких как Доломитовые Альпы или отложения Ниагарского водопада.
Авторы работы обнаружили, что в природе существует естественный механизм исправления ошибок роста. Неправильно расположенные атомы обладают меньшей стабильностью и легче растворяются при контакте с водой. Периодические изменения условий внешней среды, такие как циклы осадков или приливно-отливные явления, смывают дефектные участки с поверхности кристалла. После удаления хаотичных наслоений кальций и магний получают возможность выстроиться в правильном порядке, что позволяет минералу постепенно накапливать массу в течение длительных геологических эпох.
Для проверки гипотезы ученые использовали программное обеспечение, разработанное в центре PRISMS Мичиганского университета. Новая методика позволила моделировать атомные взаимодействия в миллионы раз быстрее традиционных способов: расчет, требовавший пяти тысяч часов работы суперкомпьютера, теперь выполняется за две миллисекунды на обычном персональном компьютере. Моделирование подтвердило, что именно чередование фаз роста и растворения является необходимым условием для появления качественных кристаллов доломита.
Экспериментальное подтверждение теории было получено в Университете Хоккайдо с помощью просвечивающего электронного микроскопа. Исследователи поместили фрагмент минерала в раствор и воздействовали на него импульсным электронным лучом, который временно повышал кислотность среды и растворял поверхностные дефекты. В ходе эксперимента удалось вырастить 300 слоев доломита, тогда как во всех предыдущих опытах этот показатель не превышал пяти слоев.
Полученные выводы имеют значение не только для геологии, но и для промышленного производства высокотехнологичных компонентов. Традиционно для минимизации дефектов в кристаллах применялись методы крайне медленного выращивания. Новое исследование доказывает, что качественные структуры можно создавать быстро, если периодически устранять ошибки роста путем контролируемого растворения поверхностных слоев. Такой подход может найти применение при создании полупроводников, солнечных панелей и аккумуляторов нового поколения.
