غزل زیاری: در دو قرن اخیر، دانشمندان موفق به تولید یا ساخت یک ماده معدنی معمولی در آزمایشگاه در شرایطی نشده اند که آن را طبیعی جلوه می دهد. اما اکنون، تیمی از محققان دانشگاه میشیگان و دانشگاه هوکایدو در ساپورو، ژاپن، به لطف یک نظریه جدید بر اساس شبیه‌سازی اتمی، موفق به انجام این کار شده‌اند.
موفقیت آنها سرانجام یک معمای قدیمی زمین شناسی به نام “مسئله دولومیت” را حل کرد. دولومیت یک ماده معدنی کلیدی است که در کوه‌های دولومیت ایتالیا، آبشار نیاگارا و هودوهای یوتا در ایالات متحده یافت می‌شود. و در سنگ های بیش از 100 میلیون سال به وفور یافت می شود، اما در سنگ ها و سازندهای جوان تر یافت نمی شود.
اهمیت درک چگونگی تولید دولومیت
Wenhao Sun، استاد علم و مهندسی مواد در UM و نویسنده مقاله اخیر، گفت: «اگر ما درک کنیم که دولومیت چگونه در طبیعت شکل می‌گیرد، می‌توانیم استراتژی‌های جدیدی را برای ترویج تشکیل کریستال مواد فن‌آوری مدرن بیاموزیم.
اما راز ساختن دولومیت توسط دانشمندان در آزمایشگاه چه بود؟ آنها با رفع عیوب ساختار معدنی در طی فرآیند ساخت این کانی به این امر دست یافتند. هنگامی که مواد معدنی در آب تشکیل می شوند، اتم ها معمولاً در لبه سطح کریستال در حال رشد قرار می گیرند. با این حال، لبه رشد دولومیت از ردیف های متناوب کلسیم و منیزیم تشکیل شده است.
در آب، کلسیم و منیزیم به طور تصادفی به کریستال دولومیت در حال رشد، اغلب در مکان‌های نامناسب، متصل می‌شوند و نقص‌هایی ایجاد می‌کنند که از تشکیل لایه‌های اضافی دولومیت جلوگیری می‌کند. این اختلال رشد دولومیت را کند می کند و در نتیجه ده میلیون سال طول می کشد تا فقط یک لایه دولومیت معمولی تشکیل شود.
خوشبختانه این ایرادات غیر قابل حل نیستند. از آنجایی که اتم‌های بی‌نظم نسبت به اتم‌های دارای موقعیت خوب پایداری کمتری دارند، اولین اتم‌هایی هستند که هنگام شستن یک ماده معدنی با آب در آب حل می‌شوند.. در نتیجه شستشوی مکرر، این اتم‌های بی‌نظم این نقص‌ها (مثلاً باران یا چرخه جزر و مد) را از بین می‌برند و این باعث می‌شود که لایه دولومیت در عرض چند سال تشکیل شود و در طول زمان زمین‌شناسی، کوهی از دولومیت احتمالی تجمع پیدا کند. یکی روی دیگری
تکنیک های پیشرفته شبیه سازی دولومیت
برای شبیه‌سازی دقیق ایجاد دولومیت، محققان باید محاسبه کنند که اتم‌ها چقدر محکم یا سست به سطح دولومیت موجود می‌چسبند. دقیق ترین شبیه سازی ها به انرژی هر برهمکنش بین الکترون ها و اتم ها در کریستال در حال رشد نیاز دارد. این محاسبات سنگین و جامع نیاز به مقادیر عظیمی از قدرت محاسباتی دارد، اما نرم افزار تولید شده در مرکز UM برای علم مواد ساختاری پیش بینی کننده (PRISMS) یک میانبر عالی در این جهت بود.
برایان پوچالا، یکی از توسعه دهندگان اصلی این نرم افزار و دانشمند پژوهشی در دپارتمان علوم و مهندسی مواد U-M، گفت: «نرم افزار ما انرژی را برای ترتیبات اتمی خاصی محاسبه می کند. سپس برون‌یابی می‌شود تا انرژی را برای ترتیبات دیگر بر اساس تقارن ساختار بلوری پیش‌بینی کند.
این میانبر در عمل به ما امکان شبیه سازی رشد دولومیت در زمان های زمین شناسی را داده است.
جونسو کیم، دانشجوی دکترای علوم و مهندسی مواد و اولین نویسنده این مطالعه، گفت: «هر مرحله اتمی معمولاً به بیش از 5000 ساعت CPU در یک ابر رایانه نیاز دارد. اکنون می‌توانیم همان محاسبات را در 2 میلی‌ثانیه روی دسکتاپ انجام دهیم.
بیشتر بخوانید:
کاربرد عملی و آزمون نظری.
در مناطق محدودی که دولومیت تشکیل می شود، سیلاب های متناوب و متعاقباً خشکسالی وجود دارد که با نظریه سان و کیم مطابقت دارد. اما این شواهد به تنهایی برای قانع کننده بودن کافی نیست.
یوکی کیمورا، استاد علم مواد در دانشگاه هوکایدو، و تومویا یامازاکی، محقق فوق دکترا در آزمایشگاه کیمورا، نظریه جدید را با میکروسکوپ های الکترونی عبوری آزمایش کردند. کیمورا گفت: “میکروسکوپ‌های الکترونی معمولاً از پرتوهای الکترونی فقط برای تصویربرداری از نمونه‌ها استفاده می‌کنند. اما پرتو همچنین می‌تواند آب را شکافته و اسیدی ایجاد کند که می‌تواند کریستال‌ها را حل کند. این معمولاً برای تصویربرداری خوب نیست؛ اما در این مورد خاص، تجزیه و از هم پاشیدگی است. دقیقا “این همان چیزی بود که ما می خواستیم.”
پس از قرار دادن یک بلور کوچک دولومیت در محلول کلسیم و منیزیم، کیمورا و یامازاکی به آرامی آن را با پرتو الکترونی 4000 بار در طول دو ساعت تابش کردند و بدین ترتیب تمام نقص ها از بین رفتند.. پس از این فرآیند، دولومیت تا حدود 100 نانومتر رشد کرد که هنوز 250000 برابر کوچکتر از یک اینچ (2.5 سانتی متر) است. با وجود اینکه فقط 300 لایه دولومیت بود، هیچ کس قبلا موفق به کشت بیش از پنج لایه دولومیت نشده بود.
درس های آموخته شده از «مسئله دولومیت» می تواند به مهندسان کمک کند تا مواد بهتری برای نیمه هادی ها، پنل های خورشیدی، باتری ها و سایر فناوری ها بسازند.
سان در این رابطه گفت: در گذشته تولیدکنندگان کریستال که قصد ساخت مواد بی عیب و نقص را داشتند سعی می کردند به آرامی آنها را رشد دهند، اما تئوری ما نشان می دهد که اگر به صورت دوره ای و در طول رشد مواد بتوان عیوب و عیوب برش را از بین برد. می تواند مواد بی عیب و نقص را با سرعت بیشتری بدست آورد.
آبنما: scitechdaily
۵۸۵۸
