科學家成功解決了"白雲石問題" - 一個長期的地質學之謎

兩個世紀以來，科學家們一直未能在實驗室中按照自然形成的條件培育出一種常見的礦物。現在，密歇根大學和日本札幌北海道大學的一個研究小組終於成功了，這要歸功於從原子模擬中發展出來的一種新理論。

孫文浩教授展示他個人收藏的白雲石。孫教授從材料科學的角度研究礦物的晶體生長。通過了解原子是如何結合在一起形成天然礦物的，他相信我們可以揭示晶體生長的基本機制，從而可以更快、更高效地製造功能材料。資料來源：Marcin Szczepanski，密歇根工程學院多媒體故事主講人。

他們的成功解決了一個被稱爲"白雲石問題"的長期地質學之謎。白雲石是意大利白雲石山脈、尼亞加拉大瀑布、多佛爾白懸崖和猶他州胡多斯山脈的主要礦物--在1億年以上的岩石中含量非常豐富，但在較年輕的地層中幾乎不存在。

密歇根大學材料科學與工程系陶氏早期職業生涯助理教授孫文浩和孫教授研究小組的材料科學與工程博士生金俊秀展示了他們實驗室收集的白雲石岩石。這兩位科學家提出的理論可以最終解釋地球上白雲石丰度這一長達兩個世紀之久的謎題。圖片來源：密歇根工程學院多媒體故事主講人 Marcin Szczepanski。

瞭解白雲石生長的重要性

密歇根大學材料科學與工程系陶氏早期職業教授、最近發表在《科學》（Science）上的論文的通訊作者孫文浩說："如果我們瞭解白雲石在自然界中是如何生長的，我們就可能學到促進現代技術材料晶體生長的新策略。"

在實驗室中最終培育出白雲石的秘訣是在其生長過程中消除礦物結構中的缺陷。當礦物在水中形成時，原子通常會整齊地沉積在晶體生長表面的邊緣。然而，白雲石的生長邊緣由鈣和鎂交替排列組成。在水中，鈣和鎂會隨機地附着在生長中的白雲石晶體上，往往會落在錯誤的位置上，併產生缺陷，導致無法形成更多的白雲石層。這種無序狀態會使白雲石的生長速度減慢，也就是說，僅形成一層有序的白雲石就需要 1000 萬年的時間。

白雲石晶體邊緣的結構。成排的鎂（橙色球體）與成排的鈣（藍色球體）交替出現，中間夾雜着碳酸鹽（黑色結構）。粉紅色箭頭表示晶體生長的方向。鈣和鎂通常會不適當地附着在生長邊緣，從而阻止白雲石的生長。資料來源：金俊秀，密歇根大學材料科學與工程專業博士生。

幸運的是，這些缺陷並沒有被鎖定。由於無序原子不如正確位置上的原子穩定，因此在用水沖洗礦物時，它們會首先溶解。反覆沖洗這些缺陷--例如，雨水或潮汐循環--只需數年就能形成白雲岩層。隨着地質年代的推移，白雲石會堆積成山。

先進的模擬技術

爲了準確模擬白雲石的生長，研究人員需要計算原子附着在現有白雲石表面的強度或鬆散程度。最精確的模擬需要計算晶體生長過程中電子和原子間每一次相互作用的能量。這種詳盡的計算通常需要巨大的計算能力，但麻省理工大學預測結構材料科學（PRISMS）中心開發的軟件提供了一條捷徑。

該軟件的主要開發者之一、麻省理工大學材料科學與工程系副研究員布萊恩-普查拉（Brian Puchala）說："我們的軟件先計算某些原子排列的能量，然後根據晶體結構的對稱性推斷預測其他排列的能量。"

這一捷徑使得模擬白雲石在地質時間尺度上的生長變得可行。

白雲石是一種在古代岩石中非常常見的礦物，它形成了像意大利北部這座同名山脈一樣的山脈。但白雲石在較年輕的岩石中很少見，無法在實驗室中按照其自然形成的條件製造。一項新理論幫助科學家們首次在實驗室中以普通溫度和壓力培育出這種礦物，並有助於解釋年輕岩石中白雲石的稀缺性。圖片來源：Francesca.z73 via Wikimedia Commons。

"每個原子步驟通常需要在超級計算機上花費5000多個CPU小時。現在，我們在臺式機上只需 2 毫秒就能完成同樣的計算，"該研究的第一作者、材料科學與工程博士生金俊秀說。

理論的實際應用和測試

如今形成白雲岩的少數地區間歇性地出現洪水，隨後又幹涸，這與孫和金的理論十分吻合。但僅有這些證據還不足以讓人完全信服。北海道大學材料科學教授木村由紀（Yuki Kimura）和木村實驗室的博士後研究員山崎智也（Tomoya Yamazaki）開始行動了。他們利用透射電子顯微鏡的一個怪癖對新理論進行了測試。

木村說："電子顯微鏡通常只使用電子束對樣品進行成像。然而，電子束也能分裂水，從而產生酸性物質，導致晶體溶解。通常，這對成像不利，但在這種情況下，溶解正是我們想要的。"

將微小的白雲石晶體放入鈣鎂溶液中後，木村和山崎在兩個小時內輕輕地對電子束進行了4000次脈衝，溶解了晶體缺陷。脈衝過後，人們看到白雲石長出了大約 100 納米，比一英寸小大約 25 萬倍。雖然這只是 300 層白雲石，但在此之前，實驗室中從未生長過超過 5 層的白雲石。

從"白雲石問題"中學到的經驗可以幫助工程師製造出更高質量的半導體、太陽能電池板、電池和其他技術材料。

"過去，晶體生長者如果想製造沒有缺陷的材料，就會嘗試非常緩慢地生長它們，"孫說。"我們的理論表明，只要在生長過程中定期溶解掉缺陷，就能快速生長出無缺陷材料。

編譯來源：ScitechDaily