Всего-то через два столетия попыток ученым наконец удалось вырастить минерал доломит в лаборатории, разгадав давнюю геологическую загадку, известную как «Проблема доломита». Исследователям из Мичиганского университета и Университета Хоккайдо в Саппоро, Япония, удалось это благодаря разработке новой теории на основе детальных атомных симуляций.

Доломит — широко распространенный минерал, встречающийся в таких знаковых местах, как Доломитовые горы в Италии, Ниагарский водопад и каменные столбы Худу в Юте. Он обилен в породах старше 100 миллионов лет, но редко образуется в более современных условиях, что веками вызывало научное недоумение.

Ключевым прорывом стало понимание того, что нарушает формирование доломита. Его структура состоит из чередующихся слоев кальция и магния, но эти элементы часто присоединяются хаотично во время роста, создавая структурные дефекты, которые блокируют дальнейшее развитие. При таком несовершенном темпе формирование одного хорошо упорядоченного слоя могло бы занять до 10 миллионов лет.

Исследователи осознали, что эти дефекты непостоянны. Атомы, оказавшиеся не на своем месте, менее стабильны и с большей вероятностью растворяются при контакте с водой. В природе циклы, такие как осадки или приливные изменения, постоянно смывают эти дефектные области. Со временем это очищает поверхность, позволяя формироваться новым, правильно расположенным слоям, что дает доломиту накапливаться в течение геологических периодов, а не геологических вечностей.

Чтобы проверить это, команде потребовалось смоделировать атомные взаимодействия — задача, обычно требующая огромных вычислительных мощностей. Исследователи из Центра прогнозирования структуры материалов (PRISMS) Мичиганского университета разработали программное обеспечение, упростившее эту задачу. «Каждый атомный шаг обычно занимал бы более 5000 часов процессорного времени на суперкомпьютере. Теперь мы можем выполнить тот же расчет за 2 миллисекунды на обычном компьютере», — заявил Джунсу Ким, первый автор исследования.

Для экспериментального подтверждения Юки Кимура и Томоя Ямадзаки из Университета Хоккайдо использовали просвечивающий электронный микроскоп нестандартным способом. Они воздействовали его электронным лучом 4000 раз за два часа на небольшой кристалл в растворе, используя способность луча расщеплять воду и создавать кислоту для растворения дефектов по мере их образования. Кристалл вырос примерно до 100 нанометров, что составляет около 300 слоев доломита — несравнимо с предыдущим рекордом в пять слоев.

Решение этой древней загадки имеет современное значение. «Наша теория показывает, что можно быстро выращивать материалы без дефектов, если периодически растворять дефекты во время роста», — пояснил Вэньхао Сунь, ответственный автор. Это понимание может улучшить производство полупроводников, солнечных панелей, батарей и других технологий. Исследование финансировалось грантом Американского химического общества PRF для новых докторантов, Министерством энергетики США и Японским обществом содействия науке.