仅仅尝试了两个世纪后，科学家们终于在实验室里成功培育出了白云石矿物，破解了这个被称为“白云石难题”的长期地质谜团。来自密歇根大学和日本札幌北海道大学的研究人员通过基于详细原子模拟的新理论取得了这一突破。

白云石是一种广泛分布的矿物，存在于意大利白云石山脉、尼亚加拉大瀑布和犹他州石林等标志性地点。它在超过1亿年的岩石中含量丰富，但在更近期的环境中却很少见到其形成过程，这成了几代科学家挠头的根源。

关键突破在于理解了是什么干扰了白云石的形成过程。其结构由钙和镁的交替层组成，但这些元素在生长过程中常常随机附着，造成结构缺陷从而阻碍进一步生长。以这种有缺陷的速度，形成单个排列整齐的层可能需要长达1000万年。

研究人员意识到这些缺陷并非永久性的。位置不当的原子稳定性较差，暴露在水中时更容易溶解。在自然界中，降雨或潮汐变化等循环会反复冲刷掉这些有缺陷的区域。随着时间的推移，这清除了表面，使新的、排列适当的层能够形成，让白云石能够在地质时期而非地质永恒中积累起来。

为了验证这一点，研究团队需要模拟原子相互作用——这通常需要巨大的计算能力。密歇根大学预测结构材料科学中心的研究人员开发了简化这一挑战的软件。“每个原子步骤通常需要在超级计算机上花费超过5000个CPU小时。现在，我们可以在台式机上用2毫秒完成相同的计算，”该研究的第一作者Joonsoo Kim说道。

为了获得实验证据，北海道大学的Yuki Kimura和Tomoya Yamazaki以一种非传统的方式使用了透射电子显微镜。他们在两小时内对溶液中的一个小晶体脉冲了4000次电子束，利用电子束分裂水并产生酸的能力来溶解形成过程中的缺陷。晶体生长到了约100纳米，代表了大约300层白云石——与之前5层的记录相去甚远。

解决这个古老谜题具有现代意义。“我们的理论表明，如果你在生长过程中定期溶解缺陷，就可以快速生长出无缺陷的材料，”通讯作者Wenhao Sun说道。这一见解可能会改进半导体、太阳能电池板、电池和其他技术的生产。这项研究由美国化学学会PRF新博士研究员资助、美国能源部和日本学术振兴会提供资金支持。