Loại khoáng chất khiến các nhà khoa học mất hơn 200 năm mới có thể tái tạo được

Canxi magie cacbonat, công thức hóa học là CaMg(CO3)2, chiếm khoảng 2% vỏ Trái đất, mất đến hàng trăm triệu năm mới có thể hình thành trong tự nhiên.

Mất đến hai thế kỷ các nhà khoa học mới có thể tái tạo chúng trong phòng thí nghiệm. Thậm chí, giới chuyên gia còn đặt tên thử thách này là “Vấn đề Dolomite”, cho thấy những thách thức về khoa học khi tái tạo loại khoáng sản trong môi trường phòng lab.

Một nghiên cứu công bố trên tạp chí Science, kết quả hợp tác giữa Đại học Michigan (UM) và Đại học Hokkaido ở Sapporo, Nhật Bản, dường như đã giải quyết được câu hỏi hóc búa về địa chất này bằng cách tận dụng phần mềm độc quyền và hòa tan các tinh thể không hoàn hảo bằng chùm tia điện tử.

Dolomite thường được tìm thấy trong các loại đá có niên đại hơn 100 triệu năm.

“Trước đây, những người muốn tạo ra tinh thể hoàn hảo luôn cố gắng làm theo một quy trình thật chậm. Tuy nhiên, lý thuyết của chúng tôi cho thấy rằng bạn có thể tạo ra chúng một cách nhanh chóng, nếu định kỳ loại bỏ các khiếm khuyết trong quá trình phát triển”, Wenhao Sun, nhà khoa học tại UM và tác giả nghiên cứu, cho biết trong thông cáo báo chí, “nếu chúng ta hiểu được dolomite phát triển như thế nào trong tự nhiên, chúng ta có thể tìm ra các chiến lược mới để thúc đẩy sự phát triển tinh thể của các vật liệu công nghệ hiện đại”.

Dolomite thường được tìm thấy trong các loại đá có niên đại hơn 100 triệu năm, nghĩa là khoáng chất này phải mất một thời gian dài mới hình thành. Theo các nhà nghiên cứu, tốc độ tăng trưởng chậm này có thể là do quá trình hình thành cấu trúc tinh thể của dolomite.

Sự hình thành của khoáng chất này được tạo bởi các hàng canxi và magiê xen kẽ. Trong môi trường nước, các nguyên tố này thường kết hợp ngẫu nhiên vào những vị trí sai, từ đó ngăn cản dolomite hình thành. Trong khi Trái đất có sự kiên nhẫn gần như vô hạn để chờ đợi sự phát triển chậm chạp (chẳng hạn như chỉ có một lớp dolomite được tạo ra trong mỗi 10 triệu năm), thì con người với tuổi thọ tương đối nhỏ bé lại không như vậy.

Để tìm ra cách đẩy nhanh quá trình tự nhiên, các nhà khoa học cần hiểu những khiếm khuyết này bám vào bề mặt dolomite như thế nào. Theo một nhà nghiên cứu, thông thường, việc này sẽ mất hàng nghìn giờ siêu máy tính, nhưng phần mềm độc quyền của UM đã tận dụng một kỹ thuật mới để hoàn thành những mô phỏng này chỉ “trong 2 mili giây với máy tính để bàn”.

“Phần mềm của chúng tôi tính toán năng lượng cho một số cách sắp xếp nguyên tử, sau đó ngoại suy để dự đoán năng lượng cho những cách sắp xếp khác dựa trên tính đối xứng của cấu trúc tinh thể”, nhà nghiên cứu cộng tác của UM và đồng tác giả Brian Puchala, một trong những nhà phát triển chính của phần mềm, cho hay.

Tiếp đến, các nhà khoa học từ Đại học Hokkaido sử dụng hiển vi điện tử để bắn electron phân tách nước, tạo ra axit có thể khiến tinh thể hòa tan. Mỗi mẫu dolomite được đặt trong dung dịch canxi/magiê và phát xung chùm tia điện tử 4.000 lần trong hai giờ liên tục. Axit thu được có hiệu quả hòa tan mọi khiếm khuyết và cho phép dolomite phát triển khoảng 100 nanomet. Điều này tương đương với khoảng 300 lớp dolomite, gấp 60 lần so với lượng dolomite từng được trồng trong phòng thí nghiệm trước đây.

Việc giải mã những bí mật về sự phát triển của dolomite có thể giúp các nhà khoa học trong tương lai hiểu được các quá trình địa chất của các khoáng chất khác, đặc biệt là những khoáng chất được sử dụng trong chất bán dẫn.