「ドロマイト問題」 – 科学者たちが200年にわたる地質学的謎を解く

孫文豪教授が個人の岩石コレクションからドロマイトを展示。 サンは、材料科学の観点から金属の結晶成長を研究しています。 原子がどのように集まって天然鉱物を形成するのかを理解することで、結晶成長の基本メカニズムを解明でき、それを利用して機能性材料をより迅速かつ効率的に製造できると彼は信じています。 クレジット: Marcin Szczybanski、ミシガン エンジニアリング社シニア マルチメディア ストーリーテラー。

一般的な鉱物であるドロマイトの山を作るには、定期的にドロマイトを溶かす必要があります。 この一見矛盾したコンセプトは、新製品を完璧なものにするのに役立ちます 半導体 もっと。

2世紀にわたって、科学者たちは、自然に形成されたと考えられる条件下で、実験室で一般的な鉱物を生成することに失敗してきました。 現在、ミシガン大学の研究者チームと 北海道大学 札幌では、原子シミュレーションによって開発された新しい理論のおかげで、日本はついにそれを達成しました。

彼らの成功により、「ドロマイト問題」と呼ばれる長年の地質学的謎が解決されました。 ドロマイト – イタリアのドロミテ山脈、ナイアガラの滝、ユタ州のフードゥーで見つかる主要な鉱物 – 岩石に豊富に含まれています 1億年以上古いただし、若い編成ではほとんど存在しません。

ミシガン大学の材料科学工学のダウ助教授であるウェンハオ・サン氏と、サン教授の研究グループの材料科学工学博士課程の学生であるジュンス・キム氏が、研究室のコレクションからのドロマイト岩石を見せています。 二人の科学者は、地球上のドロマイトの豊富さに関する2世紀にわたる謎をついに説明できる理論を開発しました。 クレジット: Marcin Szczybanski、ミシガン エンジニアリング社シニア マルチメディア ストーリーテラー。

ドロマイトの成長を理解することの重要性

「自然界でドロマイトがどのように成長するかを理解できれば、現代の技術材料の結晶成長を促進するための新しい戦略が学べるかもしれない」とダウ大学材料科学工学教授で論文の責任著者でもあるウェンハオ・スン氏は最近語った。 に発表されました 科学。

最終的にドロマイトを実験室で成長させる秘訣は、成長するにつれて鉱物構造の欠陥を取り除くことでした。 水中で鉱物が形成されるとき、原子は通常、成長する結晶表面の端にきちんと堆積します。 しかし、ドロマイトの成長端は、カルシウムとマグネシウムが交互に並んだ列で構成されています。 水中では、成長するドロマイトの結晶にカルシウムとマグネシウムがランダムに付着し、多くの場合間違った場所に沈着して欠陥が生じ、追加のドロマイト層の形成が妨げられます。 この撹乱により、ドロマイトの成長が大幅に遅くなり、秩序あるドロマイトの層をたった 1 つ作るのに 1,000 万年かかることになります。

ドロマイト結晶のエッジ構造。 マグネシウムの列 (オレンジ色のボール) とカルシウムの列 (青いボール) が交互に配置され、炭酸塩 (黒色の構造) が点在しています。 ピンクの矢印は結晶の成長方向を示します。 カルシウムとマグネシウムは成長端に誤って結合することが多く、ドロマイトの成長を止めてしまいます。 画像出典: Junsu Kim、ミシガン大学材料科学工学博士課程学生。

幸いなことに、これらの欠陥は修正されていません。 乱れた原子は正しい位置にある原子よりも不安定であるため、金属を水で洗浄すると最初に溶解します。 これらの断層が雨や潮の満ち引き​​などで繰り返し洗い流されると、ほんの数年でドロマイト層が形成されます。 地質時代の経過とともに、ドロマイトの山が蓄積することがあります。

高度なシミュレーション技術

ドロマイトの成長を正確にシミュレートするには、研究者らは、原子が既存のドロマイトの表面にどの程度強くまたは弱く付着しているかを計算する必要がありました。 より正確なシミュレーションには、成長する結晶内の電子と原子間の各相互作用のエネルギーが必要です。 このような徹底的な計算には通常、大量の計算能力が必要ですが、メリーランド大学の予測構造材料科学センター (PRISMS) で開発されたソフトウェアがその近道を提供します。

「私たちのソフトウェアは、いくつかの原子配列のエネルギーを計算し、それを外挿して結晶構造の対称性に基づいて他の配列のエネルギーを予測します」とプログラムの主任開発者の一人であり、同大学の准研究員であるブライアン・ブチャラ氏は述べた。メリーランド州出身。 材料科学と工学。

このショートカットにより、地質学的タイムスケールにわたるドロマイトの成長をシミュレートすることが可能になりました。

ドロマイトは古代の岩石に非常によく見られる鉱物であり、イタリア北部の同じ名前の山脈などの山々を形成します。 しかし、ドロマイトは若い岩石ではまれであり、自然に形成された条件下では実験室で作ることはできません。 新しい理論は、科学者が初めてこの鉱物を実験室で常温常圧で成長させるのに役立ち、若い岩石ではドロマイトが不足していることを説明するのに役立つ可能性がある。 画像ソース: Francesca.z73 (Wikimedia Commons 経由)。

「各原子ステップは通常、スーパーコンピューターでは 5,000 CPU 時間以上かかります。現在では、同じ計算をデスクトップ上で 2 ミリ秒で実行できます」と、材料科学および工学の博士課程の学生であり、この研究の筆頭著者である Junsu Kim 氏は述べています。

実践的な応用と理論のテスト

現在、ドロマイトが形成される数少ない地域は断続的に浸水し、その後干上がっていますが、これはサン氏とキム氏の理論とよく一致しています。 しかし、そのような証拠だけでは完全に説得力を持たせるには十分ではありませんでした。 北海道大学の材料科学教授である木村有紀氏と、木村氏の研究室の博士研究員である山崎智也氏が登場します。 彼らは透過型電子顕微鏡を使用して新しい理論をテストしました。

「電子顕微鏡は通常、サンプルの画像化に電子ビームのみを使用します」と木村氏は言う。 「しかし、ビームは水を分解することもできます… 酸っぱい 結晶が溶解する可能性があります。 これは通常、写真にとっては悪いことですが、この場合、分解はまさに私たちが望んでいたものです。

小さなドロマイトの結晶をカルシウムとマグネシウムの溶液の中に入れた後、木村氏と山崎氏は電子ビームを2時間かけて4,000回穏やかにパルスし、欠陥を除去した。 パルスの後、ドロマイトは約 100 ナノメートル、つまり 1 インチの約 250,000 分の 1 まで成長するのが観察されました。 これらはわずか 300 層のドロマイトですが、これまで実験室で 5 層以上のドロマイトが成長したことはありませんでした。

ドロマイト問題から学んだ教訓は、エンジニアが半導体、ソーラーパネル、バッテリー、その他のテクノロジー用の高品質の材料を製造するのに役立つ可能性があります。

「かつては、完璧な材料を作りたい結晶成長者は、非常にゆっくりと成長させようとしていた」とサン氏は語った。 「私たちの理論は、成長中に定期的に欠陥を解消すれば、欠陥のない材料を迅速に成長させることができることを示しています。」

参考文献：「溶融により周囲環境に近い条件でドロマイト結晶の成長が可能になる」、Junsu Kim、Yuki Murata、Brian Buchala、Tomoya Kawasaki、Udo Becker、Wenhao Sun、2023 年 11 月 23 日、 科学。
土井: 10.1126/science.adi3690

この研究は、米国化学会 PRF、米国エネルギー省、および日本学術振興会からの新人博士研究員助成金によって資金提供されました。