Kristal yang tumbuh dengan bantuan berkas elektron memecahkan misteri geologi berusia 200 tahun

Sebuah misteri yang menghantui ilmu material selama 200 tahun akhirnya terpecahkan. Mineral yang ditemukan di banyak formasi batuan purba ini sangat menolak upaya para ilmuwan untuk menumbuhkannya di laboratorium, meskipun mereka mampu menciptakan kembali kondisi yang mereka yakini membentuknya di alam. Kini, sebuah tim telah memecahkan masalah tersebut, dan menemukan cara menumbuhkan kristal dolomit dengan cepat untuk pertama kalinya.

Dolomit adalah mineral yang sangat penting, semuanya ada di sana Rantai gunung Itu dinamai menurut namanya. Selain puncak-puncak di Pegunungan Alpen Italia, dolomit juga melimpah di Tebing Putih Dover, Tudung Utah, dan bebatuan lain yang berumur lebih dari 100 juta tahun. Ini sebenarnya menyumbang sekitar 30% dari mineral jenisnya – karbonat – di kerak bumi, tetapi tidak ada pada batuan yang baru terbentuk.

Meskipun dengan hati-hati berupaya menciptakan kembali kondisi pertumbuhan alaminya, para ilmuwan telah gagal selama dua abad dalam menghasilkan kristal dolomit di laboratorium. Untuk memecahkan teka-teki tersebut, mereka harus kembali ke dasar.

“Jika kita memahami bagaimana dolomit tumbuh di alam, kita mungkin mempelajari strategi baru untuk meningkatkan pertumbuhan kristal bahan teknologi modern,” kata penulis terkait, Wenhao Sun dari Universitas Michigan dalam penelitian tersebut. penyataan.

Kristal dolomit terbentuk seiring waktu geologis melalui akumulasi lapisan kalsium dan magnesium yang bergantian. Kedengarannya cukup sederhana, meskipun memakan waktu, tetapi ada kendalanya. Ketika terdapat air, atom kalsium dan magnesium dapat secara acak menempel pada tepi pertumbuhan kristal, seringkali di tempat yang salah. Patahan ini mencegah terbentuknya lapisan-lapisan yang berselang-seling dengan baik, itulah sebabnya dibutuhkan waktu yang sangat lama – 10 juta tahun – untuk membuat satu lapisan batuan dolomit yang teratur.

Karena Sun dan tim tidak punya waktu menunggu 10 juta tahun, mereka beralih ke perangkat lunak canggih untuk mensimulasikan semua kemungkinan interaksi yang terjadi antar atom dalam kristal dolomit yang sedang tumbuh.

“Setiap langkah atom biasanya memerlukan lebih dari 5.000 jam CPU di superkomputer. Sekarang, kami dapat melakukan penghitungan yang sama dalam 2 milidetik di desktop,” kata penulis pertama Junsu Kim.

Tim menemukan sebuah teori. Dolomit dapat tumbuh lebih cepat jika mengalami siklus dengan konsentrasi kalsium dan magnesium yang lebih rendah secara teratur. Kebanyakan kristal tumbuh dengan baik dalam larutan lewat jenuh, dimana komponen atomnya terdapat pada tingkat yang sangat tinggi. Sedangkan untuk dolomit, hal ini hanya menyebabkan lebih banyak cacat dan memperlambat segalanya.

Untuk menguji teori tersebut, tim berkonsultasi dengan kolaborator di Universitas Hokkaido, dan merancang eksperimen cerdik menggunakan mikroskop elektron transmisi.

“Mikroskop elektron biasanya hanya menggunakan berkas elektron untuk mengambil gambar sampel,” jelas Yuki Kimura, profesor ilmu material di Universitas Hokkaido. “Namun, sinar tersebut juga dapat memecah air, menghasilkan asam yang dapat menyebabkan kristal larut. Biasanya hal ini berdampak buruk pada pencitraan, namun dalam kasus ini, pelarutan adalah hal yang kami inginkan.”

Sebuah kristal kecil dolomit dalam larutan kalsium dan magnesium terkena berkas elektron, yang berdenyut 4.000 kali selama dua jam, untuk mulai melarutkan kristal tersebut. Saat sinar dimatikan, larutan di sekitarnya dengan cepat terkoreksi ke keadaan yang lebih jenuh.

Ini bekerja seperti sihir. Setelah perawatan ini, tim sangat senang melihat bahwa kristal tersebut telah tumbuh sekitar 100 nanometer. Jumlahnya mungkin tidak banyak, tetapi ini mewakili 300 lapisan dolomit yang baru terbentuk. Hasil maksimal yang dicapai di laboratorium sebelumnya adalah lima.

Hasilnya juga sesuai dengan apa yang diamati di alam. Hanya ada beberapa lokasi di mana dolomit terbentuk saat ini, namun semuanya merupakan tempat dengan siklus banjir yang diikuti dengan kondisi yang lebih kering.

Memecahkan masalah dolomit merupakan pencapaian besar. “Penemuan ini membuka pintu untuk mempelajari proses geokimia yang mempengaruhi pembentukan dolomit masif di alam,” tulis Juan Manuel García Ruiz, yang tidak terlibat langsung dalam penelitian ini, dalam sebuah artikel. Sudut pandang menemani pembelajaran.

Tidak hanya itu, mempelajari cara menumbuhkan kristal bebas cacat dengan cepat dapat memiliki penerapan penting dalam pembuatan banyak komponen penting produk seperti semikonduktor, panel surya, dan baterai.

“Dulu, para penggarap kristal yang ingin membuat material tanpa cacat akan mencoba mengolahnya dengan sangat lambat,” kata Sun. “Teori kami menunjukkan bahwa Anda dapat menumbuhkan bahan bebas cacat dengan cepat, jika Anda melarutkan cacat secara berkala selama pertumbuhan.”

Studi ini dipublikasikan di Sains.