Американские и японские ученые вырастили кристаллы доломита в лабораторных условиях, ускорив их рост в 10 миллионов раз. Аналогичный метод можно использовать для выращивания других кристаллов, важных для разработки полупроводников, солнечных панелей, аккумуляторов и других устройств. Исследование опубликовано в журнале Science.
Доломит — это минерал, который по составу представляет собой карбонат кальция и магния. Он является важной осадочной породой, из которых состоят Доломитовые Альпы в Италии, Ниагарский водопад в Канаде и Белые скалы Дувра в Британии. Доломит очень распространен в породах, чей возраст больше 100 миллионов лет, но практически не представлен в более молодых породах. Ответ на вопрос, с чем это связано, оставался неизвестным на протяжении 200 лет.
В новом исследовании ученые наконец смогли объяснить, как именно доломит формируется в природных условиях. Минерал обычно растет в воде, и атомы оседают на его поверхности, за счет чего кристалл растет. У доломита растущая поверхность состоит из чередующихся рядов кальция и магния. Их атомы оседают на ней в случайном порядке и иногда могут оказаться в неправильном месте. Так образуются дефекты, из-за которых не могут нарасти следующие слои кристалла. Наличие дефектов значительно замедляет рост кристалла. Из-за этого на то, чтобы вырастить всего один слой правильного по структуре доломита, могло бы уйти 10 миллионов лет. Однако дефекты можно устранить, потому что неправильно расположенные атомы просто смываются под действием воды. Если смывать дефекты, например в условиях дождя или циклов приливов и отливов, то слой доломита сформируется всего за несколько лет. Соответственно, со временем так и растут целые горы.
Исследователи смогли симулировать рост кристаллов доломита, рассчитав, как плотно новые атомы прикрепляются к их поверхности. Для самых точных расчетов такого плана нужно определить энергию взаимодействия между каждыми атомами и электронами в растущем кристалле. Однако эти расчеты требуют огромных вычислительных мощностей, которые бы требовали нескольких тысяч часов работы на суперкомпьютере для расчета всего одного параметра. Исследователи разработали иной подход к вычислениям и представили программу, которая предсказывает энергию на основе симметричной структуры кристалла. Такую программу можно запустить на обычном компьютере и получить результаты всего через несколько минут.
Чтобы проверить расчеты и гипотезы на практике, ученые попытались самостоятельно вырастить кристаллы доломита в лабораторных условиях. Для этого они использовали просвечивающую электронную микроскопию, при которой через образец пропускается пучок электронов. Он может расщепить молекулы воды, из-за чего образуется кислая среда, которая позволяет удалять атомарные дефекты с поверхности кристалла. Обычно такой процесс нежелателен при визуализации образцов, но в этом случае такой подход позволил ускорить рост кристаллов доломита. После такой обработки ученым удалось увидеть, как кристалл вырос на 100 нм, что соответствует 300 слоям доломита. Несмотря на то что это не так много, ранее в лабораторных условиях получалось вырастить всего 5 таких слоев.
Метод, предложенный учеными, может быть использован для выращивания и других кристаллов, которые применяются в разработке полупроводников, солнечных батарей, аккумуляторов и других устройств.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
