如今，人工培育礦物并不罕見(jiàn)，如鉆石、水晶等。
所謂“人工培育”，是在實(shí)驗室中模擬礦物形成的自然條件，以生成礦物。但200年來(lái)，科學(xué)家始終無(wú)法在實(shí)驗室培育出一種礦物——白云石，因為其自然成因一直存在爭議。這又被稱(chēng)作“白云石問(wèn)題”。
現在，美國密歇根大學(xué)和日本北海道大學(xué)的研究人員成功揭開(kāi)了“白云石問(wèn)題”這一地質(zhì)謎團，實(shí)現了該礦物的實(shí)驗室培育。這要歸功于他們從原子模擬中發(fā)展出的新理論。相關(guān)研究11月23日發(fā)表于《科學(xué)》。
1791年，法國地質(zhì)學(xué)家Deo Dolomieu在意大利東北部的多洛米蒂山首次發(fā)現并命名了白云石這種礦物。它多出現在1億年前的巖層中，而在較年輕的巖層中幾乎很難尋到它的蹤影。
自白云石被發(fā)現后的兩個(gè)多世紀中，其起源問(wèn)題成為研究爭論的核心。
“如果我們能了解白云石在自然界中是如何生長(cháng)的，就會(huì )從中得到利用現代技術(shù)促進(jìn)材料晶體生長(cháng)的新策略。”密歇根大學(xué)教授、論文通訊作者孫文浩（音）說(shuō)。
孫文浩等人通過(guò)研究發(fā)現，在實(shí)驗室培育白云石的秘訣是在其生長(cháng)過(guò)程中去除礦物結構缺陷。
當礦物在水中形成時(shí)，原子通常整齊地沉積在晶體表面的邊緣。研究人員發(fā)現，白云石晶體邊緣由交替排列的鈣和鎂組成。當其在水中生長(cháng)時(shí)，鈣和鎂會(huì )隨機附著(zhù)在生長(cháng)的晶體上，如果沉積在錯誤的位置則產(chǎn)生結構缺陷，阻止巖層形成。這意味著(zhù)白云石生長(cháng)緩慢，或許1000萬(wàn)年才能形成一層有序的白云石。
不過(guò)，這些引起結構缺陷的無(wú)序原子比處于正確位置的原子更不穩定，所以當用水沖洗礦物時(shí)，它們是最先被溶解的，比如通過(guò)雨水或潮汐的反復沖刷，就能夠去除這些缺陷。因此，實(shí)際上只需幾年時(shí)間就能形成白云石層。隨著(zhù)地質(zhì)時(shí)間推移，大量白云石會(huì )堆積起來(lái)。
為了在實(shí)驗室中準確模擬白云石的生長(cháng)過(guò)程，研究人員需要計算附著(zhù)在現有白云石表面的原子強度或松散程度。而這種詳盡的計算通常需要足夠強的算力。于是，密歇根大學(xué)預測結構材料科學(xué)中心開(kāi)發(fā)了一種軟件，為模擬計算打通了一條捷徑。
“我們的軟件可以計算一些原子排列的能量，然后根據晶體結構的對稱(chēng)性進(jìn)行推算，預測其他原子排列的能量。”該軟件主要開(kāi)發(fā)人員之一、密歇根大學(xué)Brian Puchala說(shuō)，該軟件使研究人員可以在地質(zhì)時(shí)間尺度上模擬白云石的生長(cháng)。
如今，形成白云石的少數地區存在間歇河，即出現間歇性洪水，隨后又干涸。這與孫文浩等人的理論一致。但僅憑上述證據還不足以完全令人信服。
為此，北海道大學(xué)教授Yuki Kimura及其實(shí)驗室博士后Tomoya Yamazaki加入孫文浩等人的研究團隊。他們用一種透射電子顯微鏡對新理論進(jìn)行了檢測。
“電子顯微鏡通常發(fā)射電子束對樣本進(jìn)行成像。然而，電子束會(huì )分解水，從而產(chǎn)生酸，致使晶體溶解。這通常不利于成像。但這正是我們想要的。”Kimura說(shuō)。
在將一個(gè)微小的白云石晶體放入鈣和鎂的溶液中后，Kimura和Yamazaki在兩個(gè)小時(shí)內發(fā)出輕微電子脈沖束4000次，消除了晶體結構缺陷。這之后白云石晶體生長(cháng)了大約100納米。盡管這只相當于生長(cháng)了300層白云石，但以前實(shí)驗室中從未生長(cháng)過(guò)超過(guò)5層白云石。
研究人員從解決“白云石問(wèn)題”的過(guò)程中得到的經(jīng)驗，可以幫助工程師找到制造更高質(zhì)量材料的技術(shù)。
“過(guò)去想要制造沒(méi)有缺陷的材料，需要在實(shí)驗室慢慢培育。而我們的研究理論表明，如果在生長(cháng)過(guò)程中周期性地去除材料結構缺陷，就可以快速生長(cháng)出無(wú)缺陷的材料。”孫文浩說(shuō)。
資料來(lái)源：澎湃新聞
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