“백운석 문제” – 과학자들이 200년 된 지질학적 미스터리를 풀다

흔한 광물인 백운석 산을 생성하려면 주기적으로 이를 녹여야 합니다. 모순처럼 보이는 이 개념은 신제품을 완벽하게 만드는 데 도움이 될 수 있습니다. 반도체 그리고 더.

2세기 동안 과학자들은 자연적으로 형성되었다고 믿어지는 조건 하에서 실험실에서 일반적인 광물을 생산하는 데 실패했습니다. 이제 미시간 대학교 연구팀과 홋카이도 대학 원자 시뮬레이션을 통해 개발된 새로운 이론 덕분에 일본은 마침내 삿포로에서 바로 그 목표를 달성했습니다.

그들의 성공은 “백운석 문제”라고 불리는 오랜 지질학적 미스터리를 해결했습니다. 돌로미티(Dolomite)는 이탈리아 돌로미트 산맥, 나이아가라 폭포, 유타주 후두에서 발견되는 주요 광물로 암석에 풍부합니다. 1억년 이상그러나 젊은 조직에서는 거의 존재하지 않습니다.

미시간대학교 재료과학 및 공학부 다우 조교수인 선웬하오(Wenhao Sun)와 선 교수 연구그룹의 재료과학 및 공학 박사과정 학생인 김준수 씨가 연구실에서 수집한 백운석 암석을 보여주고 있습니다. 두 과학자는 지구상의 풍부한 백운석에 관한 200년 된 미스터리를 마침내 설명할 수 있는 이론을 개발했습니다. 출처: Marcin Szczybanski, Michigan Engineering의 선임 멀티미디어 스토리텔러.

백운석 성장을 이해하는 것의 중요성

“만약 우리가 자연에서 돌로마이트가 어떻게 성장하는지 이해한다면 현대 기술 재료의 결정 성장을 향상시키는 새로운 전략을 배울 수 있을 것입니다.”라고 다우 대학교 재료 과학 및 공학 교수이자 해당 논문의 교신 저자인 Wenhao Sun이 최근 말했습니다. 에 게시됨 과학.

실험실에서 백운석을 최종적으로 성장시키는 비결은 성장하면서 광물 구조의 결함을 제거하는 것이었습니다. 미네랄이 물에서 형성될 때 원자는 일반적으로 성장하는 결정 표면의 가장자리에 깔끔하게 침전됩니다. 그러나 백운석의 성장 가장자리는 칼슘과 마그네슘이 교대로 배열되어 있습니다. 물 속에서 칼슘과 마그네슘은 성장하는 백운석 결정에 무작위로 부착되어 종종 잘못된 위치에 침전되어 추가 백운석 층이 형성되는 것을 방지하는 결함을 생성합니다. 이러한 교란으로 인해 백운석의 성장이 기어갈 정도로 느려지며, 이는 질서 있는 백운석의 단 한 층을 만드는 데 1천만년이 걸린다는 것을 의미합니다.

백운석 결정 가장자리 구조. 마그네슘 열(주황색 공)과 칼슘 열(파란색 공)이 번갈아 가며 탄산염(검은색 구조)이 산재되어 있습니다. 분홍색 화살표는 결정 성장 방향을 나타냅니다. 칼슘과 마그네슘은 성장 가장자리에 잘못 결합하여 백운석 성장을 멈추는 경우가 많습니다. 이미지 출처: 김준수, 미시간 대학교 재료공학 박사과정 학생.

다행히도 이러한 결함은 제자리에서 수정되지 않았습니다. 무질서한 원자는 올바른 위치에 있는 원자보다 불안정하기 때문에 금속을 물로 세척하면 가장 먼저 용해됩니다. 예를 들어 비나 조석 주기 등으로 이러한 단층을 반복적으로 씻어내면 백운석 층이 단 몇 년 만에 형성될 수 있습니다. 지질학적 시간이 지나면서 백운석 산이 쌓일 수 있습니다.

고급 시뮬레이션 기술

백운석 성장을 정확하게 시뮬레이션하기 위해 연구진은 원자가 기존 백운석 표면에 얼마나 강하게 또는 약하게 부착되었는지 계산해야 했습니다. 보다 정확한 시뮬레이션을 위해서는 성장하는 결정에서 전자와 원자 사이의 각 상호 작용 에너지가 필요합니다. 이러한 철저한 계산에는 일반적으로 엄청난 양의 컴퓨팅 성능이 필요하지만 메릴랜드 대학교 예측 구조 재료 과학 센터(PRISMS)에서 개발된 소프트웨어는 지름길을 제공했습니다.

“우리 소프트웨어는 일부 원자 배열의 에너지를 계산한 다음 결정 구조의 대칭을 기반으로 다른 배열의 에너지를 예측하기 위해 이를 추정합니다.”라고 프로그램의 수석 개발자 중 한 명이자 대학의 부연구 과학자인 Brian Buchala가 말했습니다. 메릴랜드주 출신. 재료 과학 및 공학.

이 지름길을 통해 지질학적 시간 규모에 따른 백운석 성장을 시뮬레이션할 수 있었습니다.

백운석은 고대 암석에서 흔히 볼 수 있는 광물로 이탈리아 북부의 같은 이름의 산맥과 같은 산을 형성합니다. 그러나 백운석은 젊은 암석에서는 드물고 자연적으로 형성된 조건에서는 실험실에서 만들 수 없습니다. 새로운 이론은 과학자들이 처음으로 실험실에서 정상적인 온도와 압력에서 광물을 성장시키는 데 도움이 되었으며, 젊은 암석에서 백운석의 부족을 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이미지 출처: Wikimedia Commons를 통한 Francesca.z73.

이번 연구의 제1저자이자 재료 과학 및 공학 박사 과정인 김준수는 “각 원자 단계는 일반적으로 슈퍼컴퓨터에서 5,000 CPU 시간 이상이 소요됩니다. 이제 데스크톱에서 2밀리초 안에 동일한 계산을 수행할 수 있습니다”라고 말했습니다.

실제 적용 및 이론 테스트

오늘날 백운석이 형성되는 소수의 지역은 간헐적으로 침수되고 나중에 건조되는데, 이는 Sun과 Kim의 이론과 잘 일치합니다. 그러나 그러한 증거만으로는 완전히 설득력을 갖기에는 충분하지 않았습니다. 홋카이도 대학의 재료 과학 교수인 기무라 유키(Kimura Yuki)와 기무라 연구실의 박사후 연구원인 야마자키 토모야(Tomoya Yamazaki)를 만나보세요. 그들은 투과전자현미경을 사용하여 새로운 이론을 테스트했습니다.

“전자현미경은 일반적으로 전자빔을 사용하여 샘플을 이미지화합니다”라고 Kimura는 말했습니다. “그러나 광선은 물을 쪼개어 다음과 같은 결과를 초래할 수도 있습니다. 시큼한 결정이 용해될 수 있습니다. 이는 일반적으로 사진 촬영에 좋지 않은 현상이지만 이 경우 분해는 정확히 우리가 원했던 것입니다.

작은 돌로마이트 결정을 칼슘과 마그네슘 용액에 넣은 후 Kimura와 Yamazaki는 전자빔을 2시간에 걸쳐 4,000회 부드럽게 펄스하여 결함을 제거했습니다. 펄스 후에 백운석은 약 100나노미터(1인치보다 약 250,000배 작은)만큼 성장하는 것으로 나타났습니다. 이것은 단지 300층의 돌로마이트였지만, 이전에 실험실에서 5층 이하의 돌로마이트가 성장된 적은 없었습니다.

백운석 문제에서 얻은 교훈은 엔지니어가 반도체, 태양광 패널, 배터리 및 기타 기술을 위한 고품질 재료를 제조하는 데 도움이 될 수 있습니다.

“과거에는 완벽한 재료를 만들고 싶어하는 크리스탈 재배자들이 매우 천천히 성장시키려고 노력했습니다.”라고 Sun은 말했습니다. “우리의 이론은 성장하는 동안 주기적으로 결함을 용해시키면 결함 없는 재료를 빠르게 성장시킬 수 있다는 것을 보여줍니다.”

참조: 김준수, 기무라 유키, 브라이언 부찰라, 야마자키 토모야, 우도 베커, 선웬하오의 “용해는 주변 조건에 가까운 조건에서 백운석 결정의 성장을 가능하게 합니다”, 2023년 11월 23일, 과학.
도이: 10.1126/science.adi3690

이 연구는 미국 화학 학회(PRF), 미국 에너지부, 일본 과학 진흥 학회의 신임 박사 연구원 보조금의 지원을 받았습니다.