Miért bizonyult leküzdhetetlennek a dolomit növekedése?
A dolomit rendkívül elterjedt ásvány: az olasz Dolomitok hegyeitől kezdve a Niagara-vízesésen át Utah ikonikus kőzeteiig rengeteg helyen előfordul. A 100 millió évnél idősebb kőzetekben bőséggel található, mégis alig keletkezik újonnan. Hosszú időn át lehetetlennek bizonyult laboratóriumban előállítani a természeteshez hasonlóan rendezett dolomitot. Most viszont a Michigani és a Hokkaidói Egyetem kutatói atomléptékű szimulációval kidolgozták annak elméletét, hogy miért áll meg a kristály növekedése. Ahogy a kalcium- és magnéziumionok a kristály felszínéhez tapadnak, gyakran rossz sorrendben illeszkednek, szerkezeti hibákat okozva – ezek végül blokkolják a növekedést. Egyetlen molekularéteg kiépítése akár 10 millió évig is eltarthatna így.
A természet hibajavító mechanizmusa
Nem zárható ki, hogy a természetben épp emiatt gyorsul fel időnként a dolomit növekedése: a laza szerkezetű, hibás atomok kevésbé stabilak, ezért víz, esőzés vagy árapály idején egyszerűen kioldódnak. Ezeknek az ismétlődő „átmosásoknak” köszönhetően folyamatosan megtisztul a felszín, és helyet ad újabb, rendezetten beépülő ionoknak. Így, ismétlődő hibajavítási ciklusokon keresztül, hosszú idő alatt mégiscsak felhalmozódik a dolomit az ősi kőzetekben.
Atomléptékű modellezés és áttörés a laborban
A csapat először pontosan modellezte, hogyan viselkednek az atomok a növekedési folyamatban, hatalmas számítási kapacitást igénylő energiakalkulációkkal. Végül saját fejlesztésű szoftverüknek köszönhetően radikálisan lecsökkentették az egyes lépések számítási idejét: egy általában 5 000 CPU-órát igénylő atomelrendezés most már 2 ezredmásodperc alatt futtatható le egy asztali gépen. A laboratóriumi kísérletben elektronmikroszkóp-felvételek készítése közben szándékosan 4 000-szer pulzálták a mintára az elektronsugarat, ami ezáltal savas környezetet hozott létre, és folyamatosan „lemarta” a frissen képződő hibás rétegeket. Így egy 100 nanométeres, vagyis kb. 250 000-szer kisebb kristályt sikerült növeszteni, ami 300 atomi rétegnek felel meg – míg korábban legfeljebb ötig jutottak.
Új távlatok a korszerű anyagtudományban
A dolomit rejtélyének megfejtése túlmutat a geológián, és forradalmasíthatja a korszerű anyagtechnológiát is: az elektronikai, napelem-, akkumulátor- vagy akár félvezetőiparban is jelentős hasznot hozhat. Korábban úgy vélték, kizárólag nagyon lassú növesztéssel kerülhető el a hibák beépülése. Most viszont megnyílt a lehetőség, hogy gyors és ciklikus hibajavítási folyamatokkal akár tökéletes szerkezetű anyagokat is lehessen gyártani. Az áttörést az American Chemical Society PRF, az USA Energiaügyi Minisztériuma és a Japán Tudományfejlesztési Társaság támogatta.
