2世紀にわたり、科学者たちは一般的な鉱物を、それが自然に存在する条件下で実験室で成長させることができませんでした。今回、ミシガン大学と日本の札幌にある北海道大学の研究チームは、原子シミュレーションから開発された新しい理論のおかげで、ついに成功に成功した。

孫文豪教授がドロマイトの個人コレクションを披露。サン教授は、材料科学の観点から鉱物の結晶成長を研究しています。原子がどのように結合して天然鉱物を形成するかを理解することで、結晶成長の基本的なメカニズムを明らかにし、機能性材料をより迅速かつ効率的に製造できるようになると彼は信じています。出典: Marcin Szczepanski、ミシガン エンジニアリング社マルチメディア ストーリーテラー。

彼らの成功により、「ドロマイト問題」として知られる長年の地質学的謎が解決されました。イタリアのドロミテ、ナイアガラの滝、ドーバーの白い崖、ユタ州のフードゥー山脈の主な鉱物であるドロマイトは、1億年以上前の岩石に非常に豊富に含まれていますが、より若い地層にはほとんど存在しません。

ミシガン大学材料科学工学部のダウ初期キャリア助教授であるウェンハオ・サン氏と、孫教授の研究グループの材料科学工学の博士課程学生であるジン・ジュンシュウ氏は、研究室で収集されたドロマイト岩石を展示している。二人の科学者は、地球上のドロマイトの豊富さに関する2世紀にわたる謎をついに説明できる理論を提案した。画像クレジット: Marcin Szczepanski、ミシガン エンジニアリング社マルチメディア ストーリーテラー。

ドロマイトの成長の重要性を理解する

「自然界でドロマイトがどのように成長するかを理解できれば、現代の技術材料の結晶成長を促進する新しい戦略が学べるかもしれません」と、ミシガン大学材料科学工学部のダウ初期キャリア教授であり、最近サイエンス誌に掲載された論文の責任著者であるウェンハオ・サン氏は述べた。

研究室でドロマイトを最終的に成長させる秘訣は、成長中に鉱物の構造の欠陥を取り除くことです。水中で鉱物が形成されるとき、多くの場合、原子は結晶の成長表面の端にきちんと堆積します。しかし、ドロマイトの成長端は、カルシウムとマグネシウムが交互に配置されて構成されています。水中では、成長するドロマイトの結晶にカルシウムとマグネシウムがランダムに付着し、多くの場合間違った場所に付着して欠陥が生じ、さらなるドロマイト層の形成を妨げます。この無秩序な状態はドロマイトの成長を遅らせます。つまり、秩序あるドロマイトの層を 1 つ形成するのに 1,000 万年かかることになります。

ドロマイト結晶のエッジの構造。マグネシウムの列 (オレンジ色の球) とカルシウムの列 (青い球) が交互に配置され、炭酸塩 (黒い構造) が点在しています。ピンクの矢印は結晶成長の方向を示します。カルシウムとマグネシウムは成長端に不適切に付着することが多く、ドロマイトの成長を妨げます。出典: Junsu Kim、ミシガン大学材料科学工学博士課程学生。

幸いなことに、これらの欠陥は解決されていません。乱れた原子は正しい位置にある原子よりも安定性が低いため、ミネラルを水ですすぐと最初に溶解します。これらの欠陥が雨や潮の満ち引き​​などによって繰り返し洗い流されると、わずか数年でドロマイト層が形成されることがあります。地質時代の経過とともに、ドロマイトは山に蓄積します。

高度なシミュレーション技術

ドロマイトの成長を正確にモデル化するために、研究者らは、原子が既存のドロマイト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、結晶の成長に伴う電子と原子間のあらゆる相互作用のエネルギーを計算する必要があります。このような徹底的な計算には通常、膨大な計算能力が必要ですが、MIT の予測構造材料科学 (PRISMS) センターが開発したソフトウェアを使えば、その近道を実現できます。

「私たちのソフトウェアは、まず特定の原子配列のエネルギーを計算し、次に結晶構造の対称性に基づいて他の原子配列のエネルギーを予測します」と、ソフトウェアの主任開発者の一人であり、MIT材料科学工学部の准研究員であるブライアン・プチャラ氏は述べた。

このショートカットにより、地質学的時間スケールにわたるドロマイトの成長をモデル化することが可能になります。

ドロマイトは、イタリア北部にあるこのような山を形成した古代の岩石に非常によく見られる鉱物です。しかし、ドロマイトは若い岩石ではまれであり、自然に発生する条件下では実験室で作ることができません。新しい理論は、科学者が実験室で通常の温度と圧力でこの鉱物を初めて成長させるのに役立ち、若い岩石中にドロマイトが不足していることを説明するのに役立ちました。画像ソース: Francesca.z73viaWikimediaCommons。

「各原子ステップは通常、スーパーコンピューターでは 5,000 CPU 時間以上かかります。現在では、同じ計算をデスクトップ コンピューターでわずか 2 ミリ秒で完了できます」と、この研究の筆頭著者で材料科学および工学の博士課程の学生であるジュンス キム氏は述べています。

理論の実際の応用とテスト

現在ドロマイトが形成される少数の地域は、断続的に浸水し、その後干上がったものであり、これは孫氏と金氏の理論と一致している。しかし、この証拠だけでは完全に説得力を持つには不十分です。北海道大学材料科学教授の木村有紀氏と、木村氏の研究室の博士研究員である山崎智也氏が活動を開始した。彼らは、透過型電子顕微鏡の特殊性を利用して、新しい理論をテストしました。

「電子顕微鏡では通常、電子ビームのみを使用してサンプルを画像化します」と木村氏は言う。 「しかし、電子ビームは水を分解し、結晶の溶解を引き起こす酸を生成することもあります。通常、これはイメージングには良くありませんが、この場合、溶解はまさに私たちが望んでいることです。」

小さなドロマイトの結晶をカルシウムとマグネシウムの溶液の中に入れた後、木村氏と山崎氏は電子ビームを2時間かけて4,000回穏やかにパルスし、結晶欠陥を溶解した。パルスの後、ドロマイトは約 100 ナノメートル、つまり 1 インチの約 250,000 分の 1 まで成長したことが観察されました。これはわずか 300 層のドロマイトですが、これまでに 5 層を超えるドロマイトが実験室で成長したことはありません。

「ドロマイト問題」から学んだ教訓は、エンジニアがより高品質の半導体、ソーラーパネル、バッテリー、その他の技術材料を作成するのに役立つ可能性があります。

「かつては、結晶成長者は、欠陥のない材料を作りたければ、非常にゆっくりと結晶を成長させようとしていた」とサン氏は語った。 「私たちの理論は、成長プロセス中に欠陥を定期的に溶解するだけで、欠陥のない材料を迅速に成長できることを示しています。

コンパイルされたソース: ScitechDaily