Rešen „dolomitski problem”: naučnici uzgajili 300 slojeva dolomita

Tim istraživača uspešno je razrešio dugu, skoro dve stotine godina staru misteriju — zašto je dolomit široko rasprostranjen u prirodi, a veoma teško ga je uzgajati u laboratorijskim uslovima. Kombinacijom računalnih simulacija i eksperimentalne transmisijske elektronske mikroskopije istraživači su kontrolisali i uklonili strukturne defekte koji blokiraju rast kristala, što im je omogućilo da dobiju znatno više slojeva dolomita nego ikada ranije.

Kako nastaje dolomit

Dolomit je kalcijum‑magnezijum karbonat (CaMg(CO3)2). U prirodi nastaje kada voda bogata rastvorenim magnezijumom prekrsti krečnjak (calcium carbonate) — često od naslaga skeletnih ostataka i školjki koje su se vremenom kompresovale. Uglavnom se nalazi u starim stenskih naslagama (često starijim od 100 miliona godina) i u obliku tzv. dolostona (dolomitske stene).

Zašto je problem bio nerešiv u laboratoriji

Rast kristala zahteva da atomi kalcijuma i magnezijuma pravilno zauzmu mesta u površinskoj rešetki. U praksi se ti atomi često rasporede nasumično, stvarajući strukturne defekte koji usporavaju dalje dodavanje atoma. Pod stalnim visokim prezasićenjem, takvi defekti se vrlo sporo uklanjaju — u ekstremnom slučaju formiranje jednog sloja moglo bi da traje milionske intervale. Zbog toga su laboratorijski pokušaji tokom dva veka gotovo uvek propadali; neki eksperimenti su trajali decenijama bez uspeha.

Metod: simulacije + kontrolisano ispiranje i „zračenje”

Tim predvođen Wenhao Sunom iz PRISMS centra Univerziteta u Mičigenu prvo je trenirao softver da modeluje koliko energije je potrebno za različite atomske konfiguracije pri rastu dolomita. Simulacije su pokazale da konstantno visok nivo prezasićenja favorizuje stvaranje defekata. Istraživači su zato modelovali fluktuirajuće prezasićenje — režim sa periodima blagog podzasićenja koji oponaša prirodne uslove u obalnim i padavinskim zonama, gde voda povremeno ispire nestabilne atome.

Eksperimentalno, saradnici sa Hokkaido univerziteta (Yuki Kimura i Tomoya Yamazaki) iskoristili su transmisijsku elektronsku mikroskopiju na specifičan način: pulsirajući elektronski snop nad rastvorom. Elektronski zrak dovodi do razgradnje vode (radiolize) i stvaranja reaktivnih, kiselih uslova koji efikasno rastvaraju energetski nepovoljne (defektne) regione kristala. Periodično „brisanje” ovih defekata omogućava da se netaknuti (pristni) delovi kristala nastave razvijati brže.

Rezultati i značenje

Uz kombinaciju simulacija i pulsirajuće elektronske mikroskopije, tim je uspeo da uzgaja oko 300 slojeva dolomita — sloj po sloj — što odgovara približno 100 nanometara ukupne debljine. Prethodni laboratorijski rezultati retko su prelazili pet slojeva. Iako su rezultat i dalje nanometarske dimenzije, postignuće dokazuje kontrolisanu putanju rasta koju bi bilo moguće dalje razvijati i skalirati.

Ovaj proboj otvara put ka potencijalnim industrijskim primenama u materijalima gde dolomit ili srodne strukture mogu biti korisne — npr. u razvoju baterija, nekih tipova keramičkih ili poluprovodničkih materijala i u istraživanjima za fotonaponske uređaje — ali je za masovnu proizvodnju i dalje potrebna dalja optimizacija i skaliranje procesa.

Wenhao Sun: „Defektne regije imaju veću energiju i zato će se brže rastvarati i sporije rasti, što vremenom rezultuje neto tokom atoma od defektnih ka netaknutim mestima. Uvođenjem perioda blagog podzasićenja olakšavamo rastvaranje defekata koje bi inače bilo veoma sporo.”

Studija je objavljena u časopisu Science. Dalji koraci uključuju razumevanje kako ovu metodologiju primeniti u većim razmerama i kako oblikovati materijal sa svojstvima pogodnim za praktične primene.