معمای 200 ساله حل شد - وبلاگ کوجی هامی

به گزارش وبلاگ کوجی هامی، دولومیت یک کانی کلیدی است که در کوه های دولومیت ایتالیا، آبشار نیگارا و هودوهای یوتا در آمریکا یافت می گردد و در سنگ هایی با عمر بیشتر از 100 میلیون سال فراوان است.

غزال زیاری: در دو قرن اخیر دانشمندان در فراوری و ساخت یک ماده معدنی معمولی در آزمایشگاه در شرایطی که به نظر طبیعی برسد، ناکام بودند. اما حالا تیمی از محققان از دانشگاه های میشیگان و هوکایدو در ساپوروی ژاپن، به لطف نظریه جدیدی که برپایه شبیه سازی های اتمی متکی است، پیروز به انجام این کار شده اند.

پیروزیت آنها، در نهایت منجر به حل شدن یک معمای دیرینه زمین شناسی به نام مشکل دولومیت شد. دولومیت یک کانی کلیدی است که در کوه های دولومیت ایتالیا، آبشار نیگارا و هودوهای یوتا در آمریکا یافت می گردد و در سنگ هایی با عمر بیشتر از 100 میلیون سال فراوان است ولی در سازندها و سنگ های جوان تر یافت نمی گردد.

اهمیت درک نحوه فراوری 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 می گردد، ممکن است استراتژی های جدیدی برای ترویج ایجاد کریستالی مواد فن آوری مدرن بیاموزیم.

اما راز دانشمندان در ایجاد دولومیت در آزمایشگاه چه بود؟ آنها با از بین بردن نقص ها در ساختار معدنی در جریان ساخت این ماده معدنی پیروز به انجام این کار شدند. زمانی که مواد معدنی در آب تشکیل می شوند، اتم ها معمولا روی لبه ای از سطح کریستال در حال رشد رسوب می نمایند. با این حال، لبه رشد دولومیت از ردیف های متناوب کلسیم و منیزیم تشکیل شده است.

در آب، کلسیم و منیزیم به شکلی تصادفی به کریستال دولومیت در حال رشد متصل می شوند و اغلب در نقاط اشتباهی قرار گرفته و نقص هایی ایجاد می نمایند که مانع از تشکیل لایه های اضافی دولومیت می گردد. این اختلال، رشد دولومیت را کند نموده و در نتیجه تشکیل تنها یک لایه دولومیت منظم، ده میلیون سال طول می کشد.

خوشبختانه این نقص ها غیرقابل رفع کردن نیستند. از آنجا که اتم های بی نظم در مقایسه با اتم هایی در موقعیت و جایگیری مناسب پایداری کمتری دارند، در هنگام شستشوی کانی با آب، اولین اتم هایی هستند که در آب حل می شوند. در نتیجه شستشوی مکرر، این اتمهای بی نظم و در نتیجه این نقص ها را رفع می نماید (مثلا بارش باران یا چرخه جزر و مدی) و همین باعث می گردد تا لایه دولومیت تنها در عرض چند سال تشکیل گردد و در طول دوران زمین شناسی، کوهی از دولومیت ممکن است روی هم تلنبار شوند.

تکنیک های شبیه سازی پیشرفته دولومیت

در راستای شبیه سازی دقیق و پیشرفته ایجاد دولومیت، محققان به این احتیاج داشتند تا محاسبه نمایند که اتم ها چقدر محکم یا سست به سطح دولومیت موجود می چسبند. دقیق ترین شبیه سازی ها، به انرژی هر برهم کنش بین الکترون ها و اتم ها در کریستال در حال رشد احتیاج دارد. این محاسبات سنگین و جامع، به مقادیر عظیمی از قدرت محاسباتی احتیاج دارد ولی نرم افزار فراوری شده در مرکز علوم مواد ساختار پیش بینی نماینده U-M (PRISMS (به منزله یک میانبر بزرگ دراین مسیر بود.

برایان پوچالا، یکی از توسعه دهندگان اصلی نرم افزار و دانشمند پژوهشی دپارتمان علوم و مهندسی مواد U-M می گوید: نرم افزار ما انرژی را برای بعضی از آرایش های اتمی محاسبه می نماید. سپس برای پیش بینی انرژی برای آرایش های دیگر براساس تقارن ساختار بلوری، به برون یابی می پردازد.

این میان بر، در عمل امکان شبیه سازی رشد دولومیت در بازه های زمانی زمین شناسی را امکان پذیر نموده است.

جونسو کیم، دانشجوی دکترای علوم و مهندسی مواد و اولین نویسنده این مطالعه گفت: هر مرحله اتمی، معمولا بیش از 5هزار ساعت CPU در یک ابررایانه طول می کشد. حالا ما می توانیم محاسبات مشابه را در 2 میلی ثانیه روی یک دسکتاپ انجام دهیم.

• نوجوان 13 ساله ناممکن را ممکن کرد

• ناکام ترین جنگنده های دنیا که تبدیل به آهن قراضه شدند/عکس

کاربرد عملی و آزمون تئوری

در منطقه ها محدودی که در آنها دولومیت شکل می گیرد، به طور متناوب سیل می آید و بعدا خشک می گردد و این با نظریه سان و کیم همسو است. اما چنین شواهدی به تنهایی برای آنکه کاملا قانع نماینده باشد، کافی نیستند.

یوکی کیمورا، استاد علوم مواد از دانشگاه هوکایدو و تومویا یامازاکی، محقق فوق دکترا در آزمایشگاه کیمورا، نظریه جدیدی را با میکروسکوپ های الکترونی عبوری آزمایش کردند. کیمورا در این باره گفته: میکروسکوپ های الکترونی معمولا از پرتوهای الکترونی تنها برای تصویربرداری از نمونه ها استفاده می نمایند. اما پرتو بعلاوه می تواند آب را بشکافد و همین اقدام، اسیدی می سازد که می تواند باعث حل شدن کریستال ها گردد. 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 4000 بار به آن تاباندند و بدین ترتیب تمام نقص ها را رفع کردند. بعد از این اقدام، دولومیت تقریبا 100 نانومتررشد کرد که البته هنوز هم 250 هزار بار کوچکتر از یک اینچ (2.5سانتی متر) بود. گرچه این تنها 300 لایه دولومیت بود، اما تا قبل از آن کسی پیروز به رشد دادن دولومیت بیشتر از پنج لایه نشده بود.

درسی که از مشکل دولومیت آموخته شد، می تواند به مهندسان یاری کند تا مواد با کیفیت تری را برای نیمه هادی ها، پنل های خورشیدی، باتری ها و سایر فناوری ها بسازند.

سان در این رابطه گفت: در گذشته، فراورینمایندگان کریستال که می خواستند مواد بی عیب و نقصی بسازند، سعی می کردند تا آنها را به آرامی رشد دهند ولی تئوری ما نشان می دهد که اگر به صورت دوره ای و در طول رشد ماده، عیوب و نقص ها را از بین ببرید، می توانید با سرعت بالاتری به مواد بدون نقص دست پیدا کنید.

منبع: scitechdaily

5858