Professor Wenhao Sun präsentiert Dolomit aus seiner persönlichen Gesteinssammlung. Sun untersucht das Kristallwachstum von Mineralien aus materialwissenschaftlicher Sicht. Durch das Verständnis, wie Atome zu natürlichen Mineralien zusammenkommen, glaubt er, dass wir grundlegende Mechanismen des Kristallwachstums aufdecken können, die zur schnelleren und effizienteren Herstellung funktioneller Materialien genutzt werden können. Bildnachweis: Marcin Szczepanski, Lead Multimedia Storyteller, Michigan Engineering.
Um Berge aus Dolomit, einem häufig vorkommenden Mineral, zu schaffen, muss es sich regelmäßig auflösen. Dieses scheinbar paradoxe Konzept könnte dazu beitragen, Neues fehlerfrei zu machen Halbleiter und mehr.
Zwei Jahrhunderte lang ist es Wissenschaftlern nicht gelungen, ein gewöhnliches Mineral im Labor unter den Bedingungen zu züchten, von denen angenommen wird, dass es auf natürliche Weise entstanden ist. Nun hat ein Team von Forschern der University of Michigan und Hokkaido-Universität in Sapporo, Japan, haben es endlich geschafft, dank einer neuen Theorie, die aus Atomsimulationen entwickelt wurde.
Ihr Erfolg löst ein seit langem bestehendes geologisches Rätsel namens „Dolomitenproblem“. Dolomit – ein Schlüsselmineral in den Dolomiten in Italien, den Niagarafällen, den weißen Klippen von Dover und den Hoodoos in Utah – kommt in großen Mengen in Gesteinen vor älter als 100 Millionen Jahreaber in jüngeren Formationen fast nicht vorhanden.
Wenhao Sun, Dow Early Career Assistant Professor für Materialwissenschaften und -technik an der University of Michigan, und Joonsoo Kim, Doktorand für Materialwissenschaften und -technik in der Forschungsgruppe von Professor Sun, präsentieren Dolomitgestein aus der Sammlung ihres Labors. Die beiden Wissenschaftler haben eine Theorie entwickelt, die endlich ein zwei Jahrhunderte altes Rätsel um den Dolomitvorkommen auf der Erde erklären könnte. Bildnachweis: Marcin Szczepanski, Lead Multimedia Storyteller, Michigan Engineering.
Die Bedeutung des Verständnisses des Dolomitwachstums
„Wenn wir verstehen, wie Dolomit in der Natur wächst, könnten wir neue Strategien erlernen, um das Kristallwachstum moderner technologischer Materialien zu fördern“, sagte Wenhao Sun, Dow Early Career Professor für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik an der UM und korrespondierender Autor der kürzlich veröffentlichten Arbeit veröffentlicht in Wissenschaft.
Das Geheimnis für die endgültige Züchtung von Dolomit im Labor bestand darin, Defekte in der Mineralstruktur während des Wachstums zu beseitigen. Wenn sich im Wasser Mineralien bilden, lagern sich die Atome normalerweise sauber an einer Kante der wachsenden Kristalloberfläche ab. Allerdings besteht die Wachstumskante von Dolomit aus abwechselnden Reihen von Kalzium und Magnesium. Im Wasser lagern sich Kalzium und Magnesium zufällig an den wachsenden Dolomitkristallen an, bleiben oft an der falschen Stelle hängen und erzeugen Defekte, die die Bildung weiterer Dolomitschichten verhindern. Diese Störung verlangsamt das Dolomitwachstum auf ein Minimum, was bedeutet, dass es 10 Millionen Jahre dauern würde, nur eine Schicht geordneten Dolomits zu bilden.
Die Struktur einer Dolomitkristallkante. Reihen aus Magnesium (orange Kugeln) wechseln sich mit Reihen aus Kalzium (blaue Kugeln) ab und sind mit Karbonat (schwarze Strukturen) durchsetzt. Die rosa Pfeile zeigen die Richtungen des Kristallwachstums. Kalzium und Magnesium lagern sich oft nicht richtig an der Wachstumskante an, wodurch das Dolomitwachstum gestoppt wird. Bildnachweis: Joonsoo Kim, Doktorand, Materialwissenschaft und Ingenieurwesen, University of Michigan.
Glücklicherweise sind diese Mängel nicht fest verankert. Da die ungeordneten Atome weniger stabil sind als Atome in der richtigen Position, lösen sie sich als erste auf, wenn das Mineral mit Wasser gewaschen wird. Durch wiederholtes Wegspülen dieser Defekte – beispielsweise durch Regen oder Gezeitenwechsel – kann sich innerhalb weniger Jahre eine Dolomitschicht bilden. Im Laufe der geologischen Zeit können sich Dolomitberge ansammeln.
Fortgeschrittene Simulationstechniken
Um das Dolomitwachstum genau zu simulieren, mussten die Forscher berechnen, wie stark oder locker sich Atome an einer vorhandenen Dolomitoberfläche festsetzen. Die genauesten Simulationen erfordern die Energie jeder einzelnen Wechselwirkung zwischen Elektronen und Atomen im wachsenden Kristall. Solche umfassenden Berechnungen erfordern normalerweise große Mengen an Rechenleistung, aber die am Predictive Structure Materials Science (PRISMS) Center der U-M entwickelte Software bot eine Abkürzung.
„Unsere Software berechnet die Energie für einige Atomanordnungen und extrapoliert sie dann, um die Energien für andere Anordnungen basierend auf der Symmetrie der Kristallstruktur vorherzusagen“, sagte Brian Puchala, einer der Hauptentwickler der Software und assoziierter Forschungswissenschaftler in der Abteilung der U-M für Materialwissenschaft und Werkstofftechnik.
Diese Abkürzung machte es möglich, das Dolomitwachstum über geologische Zeitskalen hinweg zu simulieren.
Dolomit ist ein Mineral, das in alten Gesteinen so häufig vorkommt, dass es Berge wie dieses gleichnamige Gebirge in Norditalien bildet. Aber Dolomit ist in jüngeren Gesteinen selten und konnte unter den Bedingungen, unter denen es auf natürliche Weise entstand, nicht im Labor hergestellt werden. Eine neue Theorie half Wissenschaftlern erstmals, das Mineral im Labor bei normaler Temperatur und normalem Druck wachsen zu lassen, und könnte helfen, die Knappheit von Dolomit in jüngeren Gesteinen zu erklären. Bildnachweis: Francesca.z73 über Wikimedia Commons.
„Normalerweise würde jeder atomare Schritt auf einem Supercomputer über 5.000 CPU-Stunden dauern. Jetzt können wir die gleiche Berechnung in 2 Millisekunden auf einem Desktop durchführen“, sagte Joonsoo Kim, Doktorand der Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften und Erstautor der Studie.
Praktische Anwendung und Prüfung der Theorie
Die wenigen Gebiete, in denen sich heute Dolomit bildet, werden zeitweise überschwemmt und trocknen später aus, was gut mit der Theorie von Sun und Kim übereinstimmt. Aber solche Beweise allein reichten nicht aus, um völlig zu überzeugen. Da kommen Yuki Kimura, Professorin für Materialwissenschaften an der Universität Hokkaido, und Tomoya Yamazaki, Postdoktorandin in Kimuras Labor. Sie testeten die neue Theorie mit einer Eigenart von Transmissionselektronenmikroskopen.
„Elektronenmikroskope verwenden Elektronenstrahlen normalerweise nur zur Abbildung von Proben“, sagte Kimura. „Der Strahl kann jedoch auch Wasser spalten, was zu einer Spaltung führt Säure Dies kann dazu führen, dass sich Kristalle auflösen. Normalerweise ist das schlecht für die Bildgebung, aber in diesem Fall ist die Auflösung genau das, was wir wollten.“
Nachdem sie einen winzigen Dolomitkristall in eine Lösung aus Kalzium und Magnesium gelegt hatten, ließen Kimura und Yamazaki den Elektronenstrahl zwei Stunden lang sanft 4.000 Mal pulsieren und lösten so die Defekte auf. Nach den Impulsen wuchs der Dolomit etwa 100 Nanometer – etwa 250.000 Mal kleiner als ein Zoll. Obwohl es sich dabei nur um 300 Schichten Dolomit handelte, waren im Labor noch nie mehr als fünf Schichten Dolomit gewachsen worden.
Die Lehren aus dem Dolomitproblem können Ingenieuren dabei helfen, hochwertigere Materialien für Halbleiter, Solarmodule, Batterien und andere Technologien herzustellen.
„Früher versuchten Kristallzüchter, die Materialien ohne Defekte herstellen wollten, diese sehr langsam wachsen zu lassen“, sagte Sun. „Unsere Theorie zeigt, dass man schnell fehlerfreie Materialien züchten kann, wenn man die Fehler während des Wachstums regelmäßig auflöst.“
Referenz: „Auflösung ermöglicht Dolomitkristallwachstum nahe Umgebungsbedingungen“ von Joonsoo Kim, Yuki Kimura, Brian Puchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker und Wenhao Sun, 23. November 2023, Wissenschaft.
DOI: 10.1126/science.adi3690
Die Forschung wurde durch das PRF New Doctoral Investigator Grant der American Chemical Society, das US-Energieministerium und die Japanische Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaft finanziert.