لمدة قرنين من الزمان، لم يتمكن العلماء من زراعة معدن شائع في المختبر في ظل الظروف التي يحدث فيها بشكل طبيعي. والآن، نجح أخيرًا فريق من الباحثين من جامعة ميشيغان وجامعة هوكايدو في سابورو باليابان، وذلك بفضل نظرية جديدة تم تطويرها من خلال عمليات المحاكاة الذرية.
لقد حل نجاحهم لغزًا جيولوجيًا طويل الأمد يُعرف باسم "مشكلة الدولوميت". الدولوميت - المعدن المهيمن في الدولوميت الإيطالية وشلالات نياجرا والمنحدرات البيضاء في دوفر وجبال هودوس في يوتا - متوافر بكثرة في الصخور التي يزيد عمرها عن 100 مليون سنة ولكنه غائب تقريبًا في التكوينات الأحدث.
فهم أهمية نمو الدولوميت
وقال وينهاو صن، أستاذ مهنة داو المبكرة في قسم علوم وهندسة المواد في جامعة ميشيغان والمؤلف المقابل لمقالة نشرت مؤخرا في مجلة العلوم: "إذا فهمنا كيف ينمو الدولوميت في الطبيعة، فقد نتعلم استراتيجيات جديدة لتعزيز نمو البلورات في المواد التكنولوجية الحديثة".
إن سر زراعة الدولوميت في المختبر هو إزالة العيوب في بنية المعدن أثناء نموه. عندما تتشكل المعادن في الماء، غالبًا ما تترسب الذرات بدقة عند حواف السطح البلوري المتنامي. ومع ذلك، فإن حواف نمو الدولوميت تتكون من ترتيبات متناوبة من الكالسيوم والمغنيسيوم. في الماء، يلتصق الكالسيوم والمغنيسيوم بشكل عشوائي ببلورات الدولوميت المتنامية، وغالبًا ما يهبطان في الأماكن الخاطئة ويخلقان عيوبًا تمنع تكوين المزيد من طبقات الدولوميت. ستؤدي هذه الحالة المضطربة إلى إبطاء نمو الدولوميت، مما يعني أن الأمر سيستغرق 10 ملايين سنة لتكوين طبقة واحدة فقط من الدولوميت المرتب.
ولحسن الحظ، لم يتم تأمين هذه العيوب. ولأن الذرات غير المنتظمة تكون أقل استقرارًا من الذرات في مواقعها الصحيحة، فإنها تذوب أولاً عند شطف المعادن بالماء. ويمكن أن يؤدي الغسل المتكرر لهذه العيوب - على سبيل المثال، عن طريق المطر أو دورات المد والجزر - إلى تشكيل طبقات الدولوميت في غضون سنوات قليلة. مع مرور الوقت الجيولوجي، يتراكم الدولوميت في الجبال.
تكنولوجيا المحاكاة المتقدمة
ولوضع نموذج دقيق لنمو الدولوميت، احتاج الباحثون إلى حساب مدى قوة أو ضعف ارتباط الذرات بسطح الدولوميت الموجود. تتطلب عمليات المحاكاة الأكثر دقة حساب طاقة كل تفاعل بين الإلكترونات والذرات أثناء نمو البلورة. تتطلب مثل هذه الحسابات الشاملة عادةً قوة حاسوبية هائلة، لكن البرامج التي طورها مركز علوم المواد الإنشائية التنبؤية (PRISMS) التابع لمعهد ماساتشوستس للتكنولوجيا توفر اختصارًا.
قال بريان بوشالا، أحد مطوري البرنامج الرئيسيين والباحث المساعد في قسم علوم وهندسة المواد في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا: "يقوم برنامجنا أولاً بحساب طاقة ترتيبات ذرية معينة ثم يتنبأ بطاقة الترتيبات الأخرى بناءً على تماثل البنية البلورية".
هذا الاختصار يجعل من الممكن وضع نموذج لنمو الدولوميت على المقاييس الزمنية الجيولوجية.
قال جونسو كيم، المؤلف الأول للدراسة وطالب دكتوراه في علوم وهندسة المواد: "عادةً ما تستغرق كل خطوة ذرية أكثر من 5000 ساعة من وحدة المعالجة المركزية على كمبيوتر فائق السرعة. والآن، يمكننا إكمال نفس العملية الحسابية في 2 مللي ثانية فقط على كمبيوتر مكتبي".
التطبيق العملي واختبار النظرية
المناطق القليلة التي تتشكل فيها الدولوميت اليوم كانت تغمرها المياه بشكل متقطع ثم تجف، وهو ما يتوافق مع نظرية صن وكيم. لكن هذه الأدلة وحدها لا تكفي لتكون مقنعة تماما. بدأ يوكي كيمورا، أستاذ علوم المواد في جامعة هوكايدو، وتومويا يامازاكي، باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر كيمورا، في العمل. لقد اختبروا النظرية الجديدة من خلال استغلال ميزة المجهر الإلكتروني النافذ.
وقال كيمورا: "عادةً ما يستخدم المجهر الإلكتروني أشعة الإلكترون فقط لتصوير العينات". "ومع ذلك، يمكن لحزم الإلكترون أيضًا أن تقسم الماء، مما يؤدي إلى تكوين أحماض تؤدي إلى ذوبان البلورات. عادة، هذا ليس جيدًا للتصوير، ولكن في هذه الحالة، الذوبان هو بالضبط ما نريده."
بعد وضع بلورات الدولوميت الصغيرة في محلول الكالسيوم والمغنيسيوم، قام كيمورا وياماساكي بنبض شعاع الإلكترون بلطف 4000 مرة على مدار ساعتين، مما أدى إلى إذابة عيوب البلورة. وبعد النبض، لوحظ أن الدولوميت قد نما بنحو 100 نانومتر، أي أصغر بنحو 250 ألف مرة من البوصة. على الرغم من أن هذه ليست سوى 300 طبقة من الدولوميت، إلا أنه لم يتم زراعة أكثر من خمس طبقات من الدولوميت في المختبر من قبل.
يمكن للدروس المستفادة من "مشكلة الدولوميت" أن تساعد المهندسين على إنتاج أشباه موصلات وألواح شمسية وبطاريات ومواد تقنية أخرى عالية الجودة.
وقال سون: "في الماضي، كان مزارعو الكريستال يحاولون زراعتها ببطء شديد إذا أرادوا صنع مواد خالية من العيوب". "تُظهر نظريتنا أن المواد الخالية من العيوب يمكن زراعتها بسرعة عن طريق إذابة العيوب بانتظام أثناء عملية النمو.
المصدر المجمع: ScitechDaily