わずか200年もの試行錯誤の末、科学者たちはついに実験室でドロマイト鉱物を成長させることに成功し、「ドロマイト問題」として知られる長年の地質学的謎を解き明かした。ミシガン大学と日本の北海道大学の研究者たちは、詳細な原子シミュレーションに基づく新理論を開発することで成功を収めた。
ドロマイトは、イタリアのドロミテ山脈、ナイアガラの滝、ユタ州のフードゥーなど、象徴的な場所で見られる広く分布する鉱物だ。1億年以上前の岩石には豊富に存在するが、より新しい環境ではほとんど形成されないため、何世代にもわたって科学者たちの頭を悩ませてきた。
重要な突破口は、ドロマイトの形成を妨げる要因を理解することだった。その構造はカルシウムとマグネシウムの交互層で構成されているが、成長過程でこれらの元素がランダムに結合し、構造欠陥を生み出してさらなる進行を阻害する。その不完全な速度では、整然とした単一層を形成するのに最大1000万年もかかってしまう。
研究者たちは、これらの欠陥が永続的なものではないことに気づいた。位置のずれた原子は不安定で、水にさらされると溶解しやすい。自然界では、降雨や潮の満ち引きなどのサイクルが、これらの不完全な領域を繰り返し洗い流す。時間の経過とともに、表面がクリアされ、新しく適切に配置された層が形成されるようになり、ドロマイトは地質学的な永遠ではなく、地質学的な期間で蓄積できるようになる。
これを検証するため、研究チームは通常膨大な計算力を必要とする原子間相互作用のモデリングが必要だった。ミシガン大学のPRISMSセンターの研究者たちは、この課題を簡素化するソフトウェアを開発した。「通常、各原子ステップにはスーパーコンピューターで5000CPU時間以上かかります。今では、デスクトップで2ミリ秒で同じ計算ができます」と、筆頭著者のジョンス・キムは述べた。
実験的証拠として、北海道大学の木村勇貴と山崎智也は透過型電子顕微鏡を非伝統的な方法で使用した。彼らは2時間にわたり、溶液中の小さな結晶に電子ビームを4000回パルス照射し、ビームが水を分解して酸を生成する能力を利用して、形成される欠陥を溶解させた。結晶は約100ナノメートルまで成長し、約300層のドロマイトを表した。これは以前の記録である5層とは雲泥の差だ。
この古代の謎を解くことは、現代的な意味合いも持つ。「私たちの理論は、成長過程で定期的に欠陥を溶解させれば、欠陥のない材料を迅速に成長させられることを示しています」と、責任著者のウェンハオ・サンは述べた。この洞察は、半導体、太陽電池パネル、バッテリーなどの技術の生産を改善する可能性がある。この研究は、米国化学会PRF新博士研究者助成金、米国エネルギー省、日本学術振興会によって資金提供された。