Više od dva vijeka naučnici su bezuspješno pokušavali da uzgoje dolomit u laboratoriji pod uslovima za koje se vjerovalo da odgovaraju njegovom nastanku u prirodi. Nedavna studija je to konačno promijenila. Istraživači sa Univerziteta u Mičigenu i Univerziteta Hokaido u Saporu, u Japanu, uspjeli su zahvaljujući razvoju nove teorije zasnovane na detaljnim atomskim simulacijama.

Foto: Ilustracija/Pixabay

Njihov rad rješava dugogodišnju geološku zagonetku poznatu kao „problem dolomita“. Dolomit je rasprostranjen mineral koji se nalazi na čuvenim lokacijama poput Dolomita u Italiji, Nijagarinih vodopada i stenovitih formacija u Juti. Obilan je u stijenama starijim od 100 miliona godina, ali se rijetko viđa da nastaje u „mlađim“ formacijama.

„Ako razumijemo kako dolomit raste u prirodi, mogli bismo da naučimo nove strategije za podsticanje rasta kristala u savremenim tehnološkim materijalima“, naveo je Venhao Sun, profesor nauke o materijalima i inženjerstva na Univerzitetu u Mičigenu i glavni autor rada objavljenog u časopisu Science.

Zašto je rast dolomita toliko spor

Ključni proboj došao je iz razumijevanja šta remeti dolomit dok se formira. U vodi, minerali obično rastu tako što se atomi uredno vezuju za površinu kristala. Dolomit se ponaša drugačije jer je njegova struktura sastavljena od naizmjeničnih slojeva kalcijuma i magnezijuma.

Kako kristal raste, ova dva elementa se često vezuju nasumično umjesto da se pravilno poređaju.

To stvara strukturne greške koje blokiraju dalji rast. Rezultat je izuzetno spor proces. Tim tempom, formiranje jednog pravilno uređenog sloja dolomita može potrajati i do 10 miliona godina.

Prirodni mehanizam „resetovanja“

Istraživači su shvatili da ove greške nijesu trajne. Atomi koji su na pogrešnom mjestu manje su stabilni i skloniji rastvaranju kada dođu u kontakt sa vodom. U prirodnim uslovima, ciklusi poput kiše ili plime i oseke stalno uklanjaju te nepravilnosti.

Vremenom, ovaj proces čisti površinu tako da novi, pravilno raspoređeni slojevi mogu da se formiraju. Umjesto da jedan sloj nastaje milionima godina, dolomit može da se postepeno gradi u znatno kraćim intervalima. Tokom dugih geoloških perioda, to dovodi do velikih naslaga kakve vidimo u drevnim stijenama.

Simulacija rasta kristala na atomskom nivou

Da bi testirao svoju ideju, tim je morao da modeluje kako atomi međusobno djeluju tokom formiranja dolomita. To zahtijeva proračune energije u bezbrojnim interakcijama između elektrona i atoma, što je obično izuzetno zahtjevno u pogledu računarske snage.

Istraživači iz centra PRISMS na Univerzitetu u Mičigenu razvili su softver koji pojednostavljuje ovaj izazov. On izračunava energiju za određene rasporede atoma, a zatim predviđa druge na osnovu simetrije kristalne strukture.

„Naš softver izračunava energiju za neke rasporede atoma, a zatim ekstrapolira i predviđa energije za druge rasporede na osnovu simetrije kristalne strukture“, istakao je Brajan Pučala, jedan od glavnih programera softvera i istraživač na Univerzitetu u Mičigenu.

Ovaj pristup omogućio je simulaciju rasta dolomita u vremenskim okvirima koji odražavaju stvarne geološke procese.

„Svaki atomski korak bi inače zahtijevao više od 5.000 sati rada procesora na superkompjuteru. Sada isti proračun možemo da uradimo za dvije milisekunde na desktop računaru“, rekao je Džunsu Kim, doktorand i prvi autor studije.

Laboratorijski eksperiment potvrđuje teoriju

Prirodna okruženja u kojima se dolomit i danas formira često prolaze kroz cikluse plavljenja i isušivanja, što podržava teoriju istraživača. Ipak, bio je potreban i direktan eksperimentalni dokaz.

Do njega su došli Juki Kimura, profesor nauke o materijalima na Univerzitetu Hokaido, i Tomoja Jamazaki, postdoktorski istraživač u njegovoj laboratoriji. Oni su iskoristili neobičnu osobinu transmisionih elektronskih mikroskopa da reprodukuju ovaj proces.

„Elektronski mikroskopi obično koriste snop elektrona samo za snimanje uzoraka. Međutim, taj snop može i da razloži vodu, stvarajući kiselinu koja može da rastvori kristale. Obično je to problem za snimanje, ali u ovom slučaju, rastvaranje je upravo ono što nam je bilo potrebno“, rekao je Kimura.

Tim je postavio mali kristal dolomita u rastvor koji sadrži kalcijum i magnezijum. Zatim su impulsno uključivali elektronski snop 4.000 puta tokom dva sata, stalno uklanjajući greške kako su nastajale.

Nakon ovog procesa, kristal je porastao na oko 100 nanometara, odnosno približno 250.000 puta manje od jednog inča. Taj rast odgovarao je formiranju oko 300 slojeva dolomita. Prethodni eksperimenti nijesu uspijevali da proizvedu više od pet slojeva.

Značaj za savremenu tehnologiju

Rješenje „problema dolomita“ ne objašnjava samo geološku misteriju, već pruža i uvid u to kako kontrolisati rast kristala u naprednim materijalima koji se koriste u modernoj tehnologiji.

„U prošlosti su proizvođači kristala, želeći materijale bez grešaka, pokušavali da ih uzgajaju veoma sporo“, rekao je Sun. „Naša teorija pokazuje da možete brzo uzgajati materijale bez grešaka, ako tokom rasta povremeno uklanjate te greške.“

Ovaj koncept bi mogao da unaprijedi proizvodnju poluprovodnika, solarnih panela, baterija i drugih visokotehnoloških proizvoda.

Istraživanje su finansirali fond Američkog hemijskog društva za istraživanja nafte (PRF), Ministarstvo energetike SAD i Japansko društvo za promociju nauke.