Le professeur Wenhao Sun expose de la dolomite provenant de sa collection personnelle de roches. Sun étudie la croissance cristalline des métaux du point de vue de la science des matériaux. En comprenant comment les atomes s'assemblent pour former des minéraux naturels, il pense que nous pouvons découvrir les mécanismes de base de la croissance des cristaux, qui peuvent être utilisés pour fabriquer des matériaux fonctionnels plus rapidement et plus efficacement. Crédit : Marcin Szczybanski, conteur multimédia principal, Michigan Engineering.
Pour créer des montagnes de dolomite, un minéral commun, il faut la faire fondre périodiquement. Ce concept apparemment contradictoire peut contribuer à rendre les nouveaux produits impeccables. Semi-conducteurs Et plus.
Pendant deux siècles, les scientifiques n’ont pas réussi à produire un minéral commun en laboratoire dans des conditions censées s’être formées naturellement. Aujourd'hui, une équipe de chercheurs de l'Université du Michigan et Université d'Hokkaido À Sapporo, le Japon y est enfin parvenu, grâce à une nouvelle théorie développée grâce à des simulations atomiques.
Leur succès résout un mystère géologique de longue date appelé « problème des dolomites ». La dolomite – un minéral majeur trouvé dans les montagnes des Dolomites en Italie, aux chutes du Niagara et à Hoodoo dans l'Utah – est abondante dans les roches. Plus de 100 millions d'annéesCependant, il est quasiment absent dans les jeunes formations.
Wenhao Sun, professeur adjoint Dow de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université du Michigan, et Junsu Kim, doctorant en science et ingénierie des matériaux dans le groupe de recherche du professeur Sun, montrent des roches dolomite de la collection de leur laboratoire. Les deux scientifiques ont développé une théorie qui pourrait enfin expliquer un mystère vieux de deux siècles sur l'abondance de dolomite sur Terre. Crédit : Marcin Szczybanski, conteur multimédia principal, Michigan Engineering.
L’importance de comprendre la croissance de la dolomie
« Si nous comprenons comment la dolomite se développe dans la nature, nous pourrions apprendre de nouvelles stratégies pour améliorer la croissance cristalline des matériaux technologiques modernes », a récemment déclaré Wenhao Sun, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université Dow et auteur correspondant de l'article. Publié dans les sciences.
Le secret pour finalement faire pousser de la dolomite en laboratoire consistait à éliminer les défauts de la structure minérale au fur et à mesure de sa croissance. Lorsque les minéraux se forment dans l’eau, les atomes se déposent généralement proprement au bord de la surface cristalline en croissance. Cependant, la limite de croissance de la dolomite est constituée de rangées alternées de calcium et de magnésium. Dans l’eau, le calcium et le magnésium s’attachent de manière aléatoire aux cristaux de dolomite en croissance, se déposant souvent au mauvais endroit et créant des défauts qui empêchent la formation de couches supplémentaires de dolomite. Cette perturbation ralentit considérablement la croissance de la dolomite, ce qui signifie qu’il faudrait 10 millions d’années pour former une seule couche de dolomite ordonnée.
Structure de bord cristallin de dolomite. Des rangées de magnésium (boules oranges) alternent avec des rangées de calcium (boules bleues), entrecoupées de carbonates (structures noires). Les flèches roses montrent les directions de croissance des cristaux. Le calcium et le magnésium se lient souvent de manière incorrecte au bord de la croissance, arrêtant ainsi la croissance de la dolomite. Source de l'image : Junsu Kim, doctorant en science et ingénierie des matériaux, Université du Michigan.
Heureusement, ces défauts ne sont pas corrigés. Parce que les atomes désordonnés sont moins stables que les atomes dans la bonne position, ils sont les premiers à se dissoudre lorsque le métal est lavé à l’eau. Le lavage répété de ces failles, par exemple avec les cycles de pluie ou de marée, permet à la couche de dolomite de se former en quelques années seulement. Au fil des temps géologiques, les montagnes de dolomite peuvent s’accumuler.
Techniques de simulation avancées
Pour simuler avec précision la croissance de la dolomite, les chercheurs ont dû calculer la force ou la faiblesse avec laquelle les atomes étaient attachés à la surface de la dolomite existante. Des simulations plus précises nécessitent l’énergie de chaque interaction entre les électrons et les atomes dans le cristal en croissance. De tels calculs exhaustifs nécessitent généralement d'énormes quantités de puissance de calcul, mais un logiciel développé au Center for Predictive Structural Materials Science (PRISMS) de l'Université du Maryland a fourni un raccourci.
« Notre logiciel calcule l'énergie de certains arrangements atomiques, puis les extrapole pour prédire les énergies d'autres arrangements en fonction de la symétrie de la structure cristalline », a déclaré Brian Buchala, l'un des principaux développeurs du programme et chercheur associé à l'Université. du département du Maryland. Science et ingénierie des matériaux.
Ce raccourci a permis de simuler la croissance de la dolomie sur des échelles de temps géologiques.
La dolomite est un minéral si commun dans les roches anciennes qu'elle forme des montagnes telles que la chaîne de montagnes du même nom dans le nord de l'Italie. Mais la dolomite est rare dans les roches plus jeunes et ne peut être fabriquée en laboratoire dans les conditions dans lesquelles elle s’est formée naturellement. Une nouvelle théorie a aidé les scientifiques à cultiver pour la première fois le minéral en laboratoire à température et pression normales, et pourrait aider à expliquer la rareté de la dolomite dans les roches plus jeunes. Source de l'image : Francesca.z73 via Wikimedia Commons.
« Chaque étape atomique nécessite généralement plus de 5 000 heures de processeur sur un superordinateur. Désormais, nous pouvons effectuer le même calcul en 2 millisecondes sur un ordinateur de bureau », a déclaré Junsu Kim, doctorant en science et ingénierie des matériaux et premier auteur de l'étude.
Application pratique et tests théoriques
Les quelques zones où se forment aujourd'hui de la dolomite sont inondées par intermittence, puis s'assèchent, ce qui concorde bien avec la théorie de Sun et Kim. Mais de telles preuves ne suffisaient pas à elles seules pour être totalement convaincantes. Entrez Yuki Kimura, professeur de science des matériaux à l'Université d'Hokkaido, et Tomoya Yamazaki, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Kimura. Ils ont testé la nouvelle théorie à l’aide de microscopes électroniques à transmission.
« Les microscopes électroniques utilisent généralement uniquement des faisceaux d'électrons pour imager des échantillons », a déclaré Kimura. « Cependant, le faisceau peut également diviser l'eau, ce qui rend… aigre Ce qui peut provoquer la dissolution des cristaux. C’est généralement une mauvaise chose pour la photographie, mais dans ce cas, la décomposition correspond exactement à ce que nous souhaitions.
Après avoir placé un petit cristal de dolomite dans une solution de calcium et de magnésium, Kimura et Yamazaki ont doucement pulsé le faisceau d'électrons 4 000 fois en deux heures, éliminant ainsi les défauts. Après les impulsions, la dolomite a augmenté d’environ 100 nanomètres, soit environ 250 000 fois plus petite qu’un pouce. Bien qu’il ne s’agisse que de 300 couches de dolomite, pas plus de cinq couches de dolomite n’avaient jamais été cultivées en laboratoire auparavant.
Les enseignements tirés du problème de la dolomite pourraient aider les ingénieurs à fabriquer des matériaux de meilleure qualité pour les semi-conducteurs, les panneaux solaires, les batteries et d’autres technologies.
« Dans le passé, les cristallistes qui voulaient fabriquer des matériaux impeccables essayaient de les faire pousser très lentement », a déclaré Sun. « Notre théorie montre que vous pouvez cultiver rapidement des matériaux sans défauts si vous dissolvez les défauts périodiquement pendant la croissance. »
Référence : « La fusion permet la croissance des cristaux de dolomite dans des conditions proches de la température ambiante » par Junsu Kim, Yuki Kimura, Brian Buchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker et Wenhao Sun, 23 novembre 2023, les sciences.
est ce que je: 10.1126/science.adi3690
La recherche a été financée par une subvention de nouveau chercheur doctoral de l'American Chemical Society PRF, du département américain de l'Énergie et de la Société japonaise pour la promotion de la science.