如今，人工培育礦物并不罕見，如鉆石、水晶等。
所謂“人工培育”，是在實(shí)驗(yàn)室中模擬礦物形成的自然條件，以生成礦物。但200年來，科學(xué)家始終無法在實(shí)驗(yàn)室培育出一種礦物——白云石，因?yàn)槠渥匀怀梢蛞恢贝嬖跔幾h。這又被稱作“白云石問題”。
現(xiàn)在，美國密歇根大學(xué)和日本北海道大學(xué)的研究人員成功揭開了“白云石問題”這一地質(zhì)謎團(tuán)，實(shí)現(xiàn)了該礦物的實(shí)驗(yàn)室培育。這要?dú)w功于他們從原子模擬中發(fā)展出的新理論。相關(guān)研究11月23日發(fā)表于《科學(xué)》。
1791年，法國地質(zhì)學(xué)家Deo Dolomieu在意大利東北部的多洛米蒂山首次發(fā)現(xiàn)并命名了白云石這種礦物。它多出現(xiàn)在1億年前的巖層中，而在較年輕的巖層中幾乎很難尋到它的蹤影。
自白云石被發(fā)現(xiàn)后的兩個多世紀(jì)中，其起源問題成為研究爭論的核心。
“如果我們能了解白云石在自然界中是如何生長的，就會從中得到利用現(xiàn)代技術(shù)促進(jìn)材料晶體生長的新策略。”密歇根大學(xué)教授、論文通訊作者孫文浩（音）說。
孫文浩等人通過研究發(fā)現(xiàn)，在實(shí)驗(yàn)室培育白云石的秘訣是在其生長過程中去除礦物結(jié)構(gòu)缺陷。
當(dāng)?shù)V物在水中形成時，原子通常整齊地沉積在晶體表面的邊緣。研究人員發(fā)現(xiàn)，白云石晶體邊緣由交替排列的鈣和鎂組成。當(dāng)其在水中生長時，鈣和鎂會隨機(jī)附著在生長的晶體上，如果沉積在錯誤的位置則產(chǎn)生結(jié)構(gòu)缺陷，阻止巖層形成。這意味著白云石生長緩慢，或許1000萬年才能形成一層有序的白云石。
不過，這些引起結(jié)構(gòu)缺陷的無序原子比處于正確位置的原子更不穩(wěn)定，所以當(dāng)用水沖洗礦物時，它們是最先被溶解的，比如通過雨水或潮汐的反復(fù)沖刷，就能夠去除這些缺陷。因此，實(shí)際上只需幾年時間就能形成白云石層。隨著地質(zhì)時間推移，大量白云石會堆積起來。
為了在實(shí)驗(yàn)室中準(zhǔn)確模擬白云石的生長過程，研究人員需要計算附著在現(xiàn)有白云石表面的原子強(qiáng)度或松散程度。而這種詳盡的計算通常需要足夠強(qiáng)的算力。于是，密歇根大學(xué)預(yù)測結(jié)構(gòu)材料科學(xué)中心開發(fā)了一種軟件，為模擬計算打通了一條捷徑。
“我們的軟件可以計算一些原子排列的能量，然后根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)的對稱性進(jìn)行推算，預(yù)測其他原子排列的能量。”該軟件主要開發(fā)人員之一、密歇根大學(xué)Brian Puchala說，該軟件使研究人員可以在地質(zhì)時間尺度上模擬白云石的生長。
如今，形成白云石的少數(shù)地區(qū)存在間歇河，即出現(xiàn)間歇性洪水，隨后又干涸。這與孫文浩等人的理論一致。但僅憑上述證據(jù)還不足以完全令人信服。
為此，北海道大學(xué)教授Yuki Kimura及其實(shí)驗(yàn)室博士后Tomoya Yamazaki加入孫文浩等人的研究團(tuán)隊(duì)。他們用一種透射電子顯微鏡對新理論進(jìn)行了檢測。
“電子顯微鏡通常發(fā)射電子束對樣本進(jìn)行成像。然而，電子束會分解水，從而產(chǎn)生酸，致使晶體溶解。這通常不利于成像。但這正是我們想要的。”Kimura說。
在將一個微小的白云石晶體放入鈣和鎂的溶液中后，Kimura和Yamazaki在兩個小時內(nèi)發(fā)出輕微電子脈沖束4000次，消除了晶體結(jié)構(gòu)缺陷。這之后白云石晶體生長了大約100納米。盡管這只相當(dāng)于生長了300層白云石，但以前實(shí)驗(yàn)室中從未生長過超過5層白云石。
研究人員從解決“白云石問題”的過程中得到的經(jīng)驗(yàn)，可以幫助工程師找到制造更高質(zhì)量材料的技術(shù)。
“過去想要制造沒有缺陷的材料，需要在實(shí)驗(yàn)室慢慢培育。而我們的研究理論表明，如果在生長過程中周期性地去除材料結(jié)構(gòu)缺陷，就可以快速生長出無缺陷的材料。”孫文浩說。
資料來源：澎湃新聞
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