رازگشایی از معمای ۲۰۰ ساله این سنگ های معدنی

در دو قرن اخیر دانشمندان در تولید و ساخت یک ماده معدنی معمولی در آزمایشگاه در شرایطی که به نظر طبیعی برسد، ناکام بودند. اما حالا تیمی از محققان از دانشگاه‌های میشیگان و هوکایدو در ساپوروی ژاپن، به لطف نظریه جدیدی که برپایه شبیه‌سازی‌های اتمی متکی است، موفق به انجام این کار شده‌اند.

موفقیت آنها، در نهایت منجر به حل شدن یک معمای دیرینه زمین‌شناسی به نام "مشکل دولومیت" شد. دولومیت یک کانی کلیدی است که در کوه‌های دولومیت ایتالیا، آبشار نیگارا و هودوهای یوتا در آمریکا یافت می‌شود و در سنگ‌هایی با عمر بیشتر از ۱۰۰ میلیون سال فراوان است ولی در سازندها و سنگ‌های جوان‌تر یافت نمی‌شود.

اهمیت درک نحوه تولید دولومیت

ونهائو سان، پروفسور علوم و مهندسی مواد اولیه در U-M و نویسنده مقاله اخیر در این رابطه گفته:« اگر ما درک کنیم که دولومیت چگونه در طبیعت ایجاد می‌شود، ممکن است استراتژی‌های جدیدی برای ترویج ایجاد کریستالی مواد فن‌آوری مدرن بیاموزیم.»

اما راز دانشمندان در ایجاد دولومیت در آزمایشگاه چه بود؟ آنها با از بین بردن نقص‌ها در ساختار معدنی در جریان ساخت این ماده معدنی موفق به انجام این کار شدند. زمانی که مواد معدنی در آب تشکیل می‌شوند، اتم‌ها معمولا روی لبه‌ای از سطح کریستال در حال رشد رسوب می‌کنند. با این حال، لبه رشد دولومیت از ردیف‌های متناوب کلسیم و منیزیم تشکیل شده است.

در آب، کلسیم و منیزیم به شکلی تصادفی به کریستال دولومیت در حال رشد متصل می‌شوند و اغلب در نقاط اشتباهی قرار گرفته و نقص‌هایی ایجاد می‌کنند که مانع از تشکیل لایه‌های اضافی دولومیت می‌شود. این اختلال، رشد دولومیت را کند کرده و در نتیجه تشکیل تنها یک لایه دولومیت منظم، ده میلیون سال طول می‌کشد.

خوشبختانه این نقص‌ها غیرقابل برطرف کردن نیستند. از آنجا که اتم‌های بی‌نظم در مقایسه با اتم‌هایی در موقعیت و جایگیری مناسب پایداری کمتری دارند، در هنگام شستشوی کانی با آب، اولین اتم‌هایی هستند که در آب حل می‌شوند. در نتیجه شستشوی مکرر، این اتمهای بی‌نظم و در نتیجه این نقص‌ها را برطرف می‌کند (مثلا بارش باران یا چرخه جزر و مدی) و همین باعث می‌شود تا لایه دولومیت تنها در عرض چند سال تشکیل شود و در طول دوران زمین‌شناسی، کوهی از دولومیت ممکن است روی هم تلنبار شوند.

تکنیک‌های شبیه‌سازی پیشرفته دولومیت

در راستای شبیه‌سازی دقیق و پیشرفته ایجاد دولومیت، محققان به این نیاز داشتند تا محاسبه کنند که اتم‌ها چقدر محکم یا سست به سطح دولومیت موجود می‌چسبند. دقیق‌ترین شبیه‌سازی‌ها، به انرژی هر برهم کنش بین الکترون‌ها و اتم‌ها در کریستال در حال رشد نیاز دارد. این محاسبات سنگین و جامع، به مقادیر عظیمی از قدرت محاسباتی نیاز دارد ولی نرم‌افزار تولید شده در مرکز علوم مواد ساختار پیش‌بینی کننده U-M (PRISMS (به منزله یک میانبر بزرگ دراین مسیر بود.

برایان پوچالا، یکی از توسعه‌دهندگان اصلی نرم‌افزار و دانشمند پژوهشی دپارتمان علوم و مهندسی مواد U-M می‌گوید:« نرم‌افزار ما انرژی را برای برخی از آرایش‌های اتمی محاسبه می‌کند. سپس برای پیش‌بینی انرژی برای آرایش‌های دیگر براساس تقارن ساختار بلوری، به برون‌یابی می‌پردازد.»

این میان‌بر، در عمل امکان شبیه‌سازی رشد دولومیت در بازه‌های زمانی زمین‌شناسی را امکان پذیر کرده است.

جونسو کیم، دانشجوی دکترای علوم و مهندسی مواد و اولین نویسنده این مطالعه گفت:« هر مرحله اتمی، معمولا بیش از ۵هزار ساعت CPU در یک ابررایانه طول می‌کشد. حالا ما می‌توانیم محاسبات مشابه را در ۲ میلی‌ثانیه روی یک دسکتاپ انجام دهیم.»

کاربرد عملی و آزمون تئوری

در مناطق محدودی که در آنها دولومیت شکل می‌گیرد، به طور متناوب سیل می‌آید و بعدا خشک می‌شود و این با نظریه سان و کیم همسو است. اما چنین شواهدی به تنهایی برای آنکه کاملا قانع کننده باشد، کافی نیستند.

یوکی کیمورا، استاد علوم مواد از دانشگاه هوکایدو و تومویا یامازاکی، محقق فوق دکترا در آزمایشگاه کیمورا، نظریه جدیدی را با میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری آزمایش کردند. کیمورا در این باره گفته:« میکروسکوپ‌های الکترونی معمولا از پرتوهای الکترونی تنها برای تصویربرداری از نمونه‌ها استفاده می‌کنند. اما پرتو همچنین می‌تواند آب را بشکافد و همین اقدام، اسیدی می‌سازد که می‌تواند باعث حل شدن کریستال ها شود. معمولا این برای تصویربرداری خوب نیست؛ اما در این مورد خاص، تجزیه و از هم پاشیدگی دقیقا همان چیزی بود که ما می خواستیم.»

کیمورا و یامازاکی بعد از قراردادن یک بلور ریز دولومیت در محلول کلسیم و منیزیم، به آرامی و در طی دو ساعت پرتو الکترونی را ۴۰۰۰ بار به آن تاباندند و بدین ترتیب تمام نقص‌ها را برطرف کردند. بعد از این اقدام، دولومیت تقریبا ۱۰۰ نانومتررشد کرد که البته هنوز هم ۲۵۰ هزار بار کوچکتر از یک اینچ (۲.۵سانتی متر) بود. گرچه این تنها ۳۰۰ لایه دولومیت بود، اما تا قبل از آن کسی موفق به رشد دادن دولومیت بیشتر از پنج لایه نشده بود.

درسی که از "مشکل دولومیت" آموخته شد، می‌تواند به مهندسان کمک کند تا مواد با کیفیت‌تری را برای نیمه‌هادی‌ها، پنل‌های خورشیدی، باتری‌ها و سایر فناوری‌ها بسازند.

سان در این رابطه گفت:« در گذشته، تولیدکنندگان کریستال که می‌خواستند مواد بی‌عیب و نقصی بسازند، سعی می‌کردند تا آنها را به آرامی رشد دهند ولی تئوری ما نشان می‌دهد که اگر به صورت دوره‌ای و در طول رشد ماده، عیوب و نقص‌ها را از بین ببرید، می‌توانید با سرعت بالاتری به مواد بدون نقص دست پیدا کنید.»