“Masalah Dolomit” – Para ilmuwan memecahkan misteri geologi berusia 200 tahun

Profesor Wenhao Sun memamerkan dolomit dari koleksi batu pribadinya. Sun mempelajari pertumbuhan kristal logam dari perspektif ilmu material. Dengan memahami bagaimana atom bersatu membentuk mineral alami, dia yakin kita dapat mengungkap mekanisme dasar pertumbuhan kristal, yang dapat digunakan untuk membuat bahan fungsional dengan lebih cepat dan efisien. Kredit: Marcin Szczybanski, Pendongeng Multimedia Senior, Michigan Engineering.

Untuk membuat gunungan dolomit, mineral umum, dolomit harus dicairkan secara berkala. Konsep yang tampaknya kontradiktif ini dapat membantu membuat produk baru menjadi sempurna Semikonduktor Dan banyak lagi.

Selama dua abad, para ilmuwan gagal menghasilkan mineral umum di laboratorium dalam kondisi yang diyakini terbentuk secara alami. Kini, tim peneliti dari Universitas Michigan dan Universitas Hokkaido Di Sapporo, Jepang akhirnya mencapai hal tersebut berkat teori baru yang dikembangkan melalui simulasi atom.

Keberhasilan mereka memecahkan misteri geologis lama yang disebut “Masalah Dolomit”. Dolomite – mineral utama yang ditemukan di Pegunungan Dolomite di Italia, Air Terjun Niagara, Tebing Putih Dover, dan Hoodoo di Utah – berlimpah di bebatuan Lebih tua dari 100 juta tahunNamun, hampir tidak ada di formasi muda.

Wenhao Sun, Asisten Profesor Ilmu dan Teknik Material Dow di Universitas Michigan, dan Junsu Kim, seorang mahasiswa doktoral ilmu material dan teknik di kelompok penelitian Profesor Sun, menunjukkan batuan dolomit dari koleksi laboratorium mereka. Kedua ilmuwan tersebut telah mengembangkan teori yang akhirnya bisa menjelaskan misteri berusia dua abad tentang banyaknya dolomit di Bumi. Kredit: Marcin Szczybanski, Pendongeng Multimedia Senior, Michigan Engineering.

Pentingnya memahami pertumbuhan dolomit

“Jika kita memahami bagaimana dolomit tumbuh di alam, kita dapat mempelajari strategi baru untuk meningkatkan pertumbuhan kristal material berteknologi modern,” kata Wenhao Sun, profesor ilmu dan teknik material di Universitas Dow dan penulis makalah tersebut, baru-baru ini. Diterbitkan di Sains.

Rahasia untuk akhirnya menumbuhkan dolomit di laboratorium adalah menghilangkan cacat pada struktur mineral seiring pertumbuhannya. Ketika mineral terbentuk di dalam air, atom-atom biasanya tersimpan rapi di tepi permukaan kristal yang sedang tumbuh. Namun, tepi pertumbuhan dolomit terdiri dari deretan kalsium dan magnesium yang berselang-seling. Di dalam air, kalsium dan magnesium menempel secara acak ke kristal dolomit yang sedang tumbuh, sering kali mengendap di tempat yang salah dan menimbulkan cacat yang mencegah terbentuknya lapisan dolomit tambahan. Gangguan ini memperlambat pertumbuhan dolomit, yang berarti diperlukan waktu 10 juta tahun untuk membuat satu lapisan dolomit saja.

Struktur tepi kristal dolomit. Deretan magnesium (bola oranye) bergantian dengan deretan kalsium (bola biru), diselingi karbonat (struktur hitam). Panah merah muda menunjukkan arah pertumbuhan kristal. Kalsium dan magnesium sering kali salah mengikat tepi pertumbuhan, sehingga menghentikan pertumbuhan dolomit. Sumber gambar: Junsu Kim, mahasiswa PhD di bidang Ilmu dan Teknik Material, Universitas Michigan.

Untungnya, cacat ini tidak diperbaiki pada tempatnya. Karena atom-atom yang tidak teratur kurang stabil dibandingkan atom-atom yang posisinya benar, maka atom-atom tersebut akan larut terlebih dahulu ketika logam dicuci dengan air. Jika patahan ini tersapu berulang kali—misalnya dengan hujan atau siklus pasang surut—memungkinkan lapisan dolomit terbentuk hanya dalam hitungan tahun. Seiring berjalannya waktu secara geologis, pegunungan dolomit dapat terakumulasi.

Teknik simulasi tingkat lanjut

Untuk mensimulasikan pertumbuhan dolomit secara akurat, para peneliti perlu menghitung seberapa kuat atau lemah atom-atom tersebut menempel pada permukaan dolomit yang ada. Simulasi yang lebih akurat memerlukan energi dari setiap interaksi antara elektron dan atom dalam kristal yang sedang tumbuh. Perhitungan menyeluruh seperti itu biasanya memerlukan daya komputasi dalam jumlah besar, namun perangkat lunak yang dikembangkan di Pusat Ilmu Material Struktural Prediktif (PRISMS) Universitas Maryland telah memberikan jalan pintas.

“Perangkat lunak kami menghitung energi beberapa susunan atom, dan kemudian mengekstrapolasinya untuk memprediksi energi susunan lain berdasarkan simetri struktur kristal,” kata Brian Buchala, salah satu pengembang utama program dan ilmuwan peneliti asosiasi di Universitas dari departemen Maryland. Ilmu dan teknik material.

Jalan pintas ini memungkinkan simulasi pertumbuhan dolomit dalam rentang waktu geologis.

Dolomit merupakan mineral yang sangat umum ditemukan pada batuan purba sehingga membentuk pegunungan seperti pegunungan dengan nama yang sama di Italia utara. Namun dolomit jarang ditemukan pada batuan yang lebih muda dan tidak dapat dibuat di laboratorium dalam kondisi pembentukannya secara alami. Sebuah teori baru telah membantu para ilmuwan menumbuhkan mineral tersebut di laboratorium pada suhu dan tekanan normal untuk pertama kalinya, dan dapat membantu menjelaskan kelangkaan dolomit pada batuan yang lebih muda. Sumber gambar: Francesca.z73 melalui Wikimedia Commons.

“Setiap langkah atom biasanya membutuhkan lebih dari 5.000 jam CPU pada superkomputer. Sekarang, kita dapat melakukan penghitungan yang sama dalam 2 milidetik di desktop,” kata Junsu Kim, mahasiswa PhD di bidang ilmu dan teknik material dan penulis pertama studi tersebut.

Aplikasi praktis dan pengujian teori

Beberapa daerah tempat terbentuknya dolomit saat ini kadang-kadang tergenang air dan kemudian mengering, hal ini sesuai dengan teori Sun dan Kim. Namun bukti seperti itu saja tidak cukup untuk meyakinkan sepenuhnya. Masukkan Yuki Kimura, seorang profesor ilmu material dari Universitas Hokkaido, dan Tomoya Yamazaki, seorang peneliti pascadoktoral di laboratorium Kimura. Mereka menguji teori baru menggunakan mikroskop elektron transmisi.

“Mikroskop elektron biasanya hanya menggunakan berkas elektron untuk mengambil gambar sampel,” kata Kimura. “Namun, pancaran sinar tersebut juga dapat membelah air, membuat… kecut Yang dapat menyebabkan kristal larut. Ini biasanya merupakan hal yang buruk untuk fotografi, namun dalam kasus ini, dekomposisi adalah hal yang kita inginkan.

Setelah menempatkan kristal dolomit kecil dalam larutan kalsium dan magnesium, Kimura dan Yamazaki dengan lembut menggerakkan berkas elektron 4.000 kali selama dua jam, menghilangkan cacat. Setelah dideteksi, dolomit terlihat tumbuh sekitar 100 nanometer, sekitar 250.000 kali lebih kecil dari satu inci. Meskipun ini hanya 300 lapisan dolomit, tidak lebih dari lima lapisan dolomit yang pernah ditanam di laboratorium sebelumnya.

Pembelajaran dari masalah dolomit dapat membantu para insinyur memproduksi material berkualitas lebih tinggi untuk semikonduktor, panel surya, baterai, dan teknologi lainnya.

“Di masa lalu, penanam kristal yang ingin membuat material tanpa cacat akan mencoba menumbuhkannya dengan sangat lambat,” kata Sun. “Teori kami menunjukkan bahwa Anda dapat menumbuhkan bahan bebas cacat dengan cepat, jika Anda melarutkan cacat tersebut secara berkala selama pertumbuhan.”

Referensi: “Pencairan Memungkinkan Pertumbuhan Kristal Dolomit pada Kondisi Hampir Sekitar” oleh Junsu Kim, Yuki Kimura, Brian Buchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker, dan Wenhao Sun, 23 November 2023, Sains.
doi: 10.1126/science.adi3690

Penelitian ini didanai oleh Hibah Penyelidik Doktoral Baru dari American Chemical Society PRF, Departemen Energi AS, dan Japan Society for the Promotion of Science.