科学家成功解决了"白云石问题" - 一个长期的地质学之谜

两个世纪以来，科学家们一直未能在实验室中按照自然形成的条件培育出一种常见的矿物。现在，密歇根大学和日本札幌北海道大学的一个研究小组终于成功了，这要归功于从原子模拟中发展出来的一种新理论。

孙文浩教授展示他个人收藏的白云石。孙教授从材料科学的角度研究矿物的晶体生长。通过了解原子是如何结合在一起形成天然矿物的，他相信我们可以揭示晶体生长的基本机制，从而可以更快、更高效地制造功能材料。资料来源：Marcin Szczepanski，密歇根工程学院多媒体故事主讲人。

他们的成功解决了一个被称为"白云石问题"的长期地质学之谜。白云石是意大利白云石山脉、尼亚加拉大瀑布、多佛尔白悬崖和犹他州胡多斯山脉的主要矿物--在1亿年以上的岩石中含量非常丰富，但在较年轻的地层中几乎不存在。

密歇根大学材料科学与工程系陶氏早期职业生涯助理教授孙文浩和孙教授研究小组的材料科学与工程博士生金俊秀展示了他们实验室收集的白云石岩石。这两位科学家提出的理论可以最终解释地球上白云石丰度这一长达两个世纪之久的谜题。图片来源：密歇根工程学院多媒体故事主讲人 Marcin Szczepanski。

了解白云石生长的重要性

密歇根大学材料科学与工程系陶氏早期职业教授、最近发表在《科学》（Science）上的论文的通讯作者孙文浩说："如果我们了解白云石在自然界中是如何生长的，我们就可能学到促进现代技术材料晶体生长的新策略。"

在实验室中最终培育出白云石的秘诀是在其生长过程中消除矿物结构中的缺陷。当矿物在水中形成时，原子通常会整齐地沉积在晶体生长表面的边缘。然而，白云石的生长边缘由钙和镁交替排列组成。在水中，钙和镁会随机地附着在生长中的白云石晶体上，往往会落在错误的位置上，并产生缺陷，导致无法形成更多的白云石层。这种无序状态会使白云石的生长速度减慢，也就是说，仅形成一层有序的白云石就需要 1000 万年的时间。

白云石晶体边缘的结构。成排的镁（橙色球体）与成排的钙（蓝色球体）交替出现，中间夹杂着碳酸盐（黑色结构）。粉红色箭头表示晶体生长的方向。钙和镁通常会不适当地附着在生长边缘，从而阻止白云石的生长。资料来源：金俊秀，密歇根大学材料科学与工程专业博士生。

幸运的是，这些缺陷并没有被锁定。由于无序原子不如正确位置上的原子稳定，因此在用水冲洗矿物时，它们会首先溶解。反复冲洗这些缺陷--例如，雨水或潮汐循环--只需数年就能形成白云岩层。随着地质年代的推移，白云石会堆积成山。

先进的模拟技术

为了准确模拟白云石的生长，研究人员需要计算原子附着在现有白云石表面的强度或松散程度。最精确的模拟需要计算晶体生长过程中电子和原子间每一次相互作用的能量。这种详尽的计算通常需要巨大的计算能力，但麻省理工大学预测结构材料科学（PRISMS）中心开发的软件提供了一条捷径。

该软件的主要开发者之一、麻省理工大学材料科学与工程系副研究员布莱恩-普查拉（Brian Puchala）说："我们的软件先计算某些原子排列的能量，然后根据晶体结构的对称性推断预测其他排列的能量。"

这一捷径使得模拟白云石在地质时间尺度上的生长变得可行。

白云石是一种在古代岩石中非常常见的矿物，它形成了像意大利北部这座同名山脉一样的山脉。但白云石在较年轻的岩石中很少见，无法在实验室中按照其自然形成的条件制造。一项新理论帮助科学家们首次在实验室中以普通温度和压力培育出这种矿物，并有助于解释年轻岩石中白云石的稀缺性。图片来源：Francesca.z73 via Wikimedia Commons。

"每个原子步骤通常需要在超级计算机上花费5000多个CPU小时。现在，我们在台式机上只需 2 毫秒就能完成同样的计算，"该研究的第一作者、材料科学与工程博士生金俊秀说。

理论的实际应用和测试

如今形成白云岩的少数地区间歇性地出现洪水，随后又干涸，这与孙和金的理论十分吻合。但仅有这些证据还不足以让人完全信服。北海道大学材料科学教授木村由纪（Yuki Kimura）和木村实验室的博士后研究员山崎智也（Tomoya Yamazaki）开始行动了。他们利用透射电子显微镜的一个怪癖对新理论进行了测试。

木村说："电子显微镜通常只使用电子束对样品进行成像。然而，电子束也能分裂水，从而产生酸性物质，导致晶体溶解。通常，这对成像不利，但在这种情况下，溶解正是我们想要的。"

将微小的白云石晶体放入钙镁溶液中后，木村和山崎在两个小时内轻轻地对电子束进行了4000次脉冲，溶解了晶体缺陷。脉冲过后，人们看到白云石长出了大约 100 纳米，比一英寸小大约 25 万倍。虽然这只是 300 层白云石，但在此之前，实验室中从未生长过超过 5 层的白云石。

从"白云石问题"中学到的经验可以帮助工程师制造出更高质量的半导体、太阳能电池板、电池和其他技术材料。

"过去，晶体生长者如果想制造没有缺陷的材料，就会尝试非常缓慢地生长它们，"孙说。"我们的理论表明，只要在生长过程中定期溶解掉缺陷，就能快速生长出无缺陷材料。

编译来源：ScitechDaily