200年来，科学家们一直未能在实验室中在被认为是自然形成的条件下培育出一种常见的矿物。现在，来自密歇根大学和日本札幌北海道大学的一组研究人员终于成功了，这要归功于从原子模拟中发展出来的新理论。

他们的成功解决了一个长期存在的地质学谜题，即“白云石问题”。白云石是意大利白云石山脉、尼亚加拉大瀑布、多佛白崖和犹他州石林中的一种重要矿物，在年龄超过1亿年的岩石中含量非常丰富，但在较年轻的地层中几乎不存在。

“如果我们了解白云石在自然界中是如何生长的，我们可能会学到促进现代技术材料晶体生长的新策略，”密歇根大学材料科学与工程陶氏早期职业教授、该论文的通讯作者孙文浩说。今天在《科学》杂志上。

最终在实验室中生长白云石的秘诀是在生长过程中消除矿物结构中的缺陷。当矿物质在水中形成时，原子通常会整齐地沉积在生长的晶体表面的边缘上。然而，白云石的生长边缘由钙和镁的交替排列组成。

在水中，钙和镁会随机附着在生长的白云石晶体上，通常会卡入错误的位置并产生缺陷，从而阻止额外的白云石层形成。这种无序现象使白云石的生长速度减慢，这意味着需要1000万年才能形成一层有序的白云石。

幸运的是，这些缺陷并没有被锁定。由于无序原子的稳定性不如正确位置的原子，因此当矿物用水洗涤时，它们首先溶解。通过反复冲洗掉这些缺陷(例如，通过雨水或潮汐循环)，只需几年的时间即可形成白云石层。随着地质时间的推移，白云石山会堆积起来。

为了准确模拟白云石生长，研究人员需要计算原子附着在现有白云石表面上的强度或松散程度。最准确的模拟需要生长晶体中电子和原子之间每一次相互作用的能量。这种详尽的计算通常需要大量的计算能力，但密歇根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。

图片来源：密歇根大学

“我们的软件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其他排列的能量，”该软件的主要开发人员之一、密歇根大学材料系的副研究科学家BrianPuchala说。科学与工程。

这种捷径使得模拟白云石在地质时间尺度上的生长成为可能。

“在超级计算机上，每个原子步骤通常需要超过5000个CPU小时。现在，我们可以在桌面上2毫秒内完成相同的计算，”材料科学与工程博士生、该研究的第一作者JoonsooKim说。

今天形成白云石的少数地区间歇性地发生洪水，然后又干涸，这与孙和金的理论非常吻合。但仅凭这些证据还不足以完全令人信服。北海道大学材料科学教授YukiKimura和木村实验室的博士后研究员TomoyaYamazaki登场。他们用透射电子显微镜测试了这一新理论。

“电子显微镜通常使用电子束来对样品进行成像，”木村说。“然而，光束也会分解水，产生酸，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，Kimura和Yamazaki在两个小时内轻轻地发出电子束4,000次脉冲，消除了缺陷。脉冲过后，白云石生长了约100纳米，比一英寸小约250,000倍。虽然这只是300层白云石，但之前实验室里从未生长过超过5层的白云石。

从白云石问题中吸取的经验教训可以帮助工程师为半导体、太阳能电池板、电池和其他技术制造更高质量的材料。

“过去，想要制造没有缺陷的材料的晶体生长者会尝试非常缓慢地生长它们，”孙说。“我们的理论表明，如果在生长过程中定期溶解缺陷，就可以快速生长无缺陷的材料。”

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