«مسئله دولومیت» که قرن ها دانشمندان را گیج کرده بود، ممکن است بالاخره حل شود | پژوهش

علیرغم قرن ها تلاش برای رسوب دولومیت در آزمایشگاه، این ماده معدنی فراوان از نظر زمین شناسی سرسختانه اسرارآمیز باقی مانده است. اما اکنون یک همکاری بین المللی از محققان بر این باور است که آنها کلید تشکیل دولومیت را در آزمایشگاه پیدا کرده اند – چرخه های اشباع.

دولومیت (CaMg (CO₃)₂) یک ماده معدنی کربنات کلسیم منیزیم است. کریستال‌ها را معمولاً می‌توان در آزمایشگاه از محلول‌هایی که اشباع‌تر از حد معمول ممکن است – محلول‌های فوق اشباع – رشد داد. با این حال، علیرغم اینکه دولومیت از نظر ترمودینامیکی پایدار است و از نظر زمین شناسی گسترده است، سرسختانه از رشد در آزمایشگاه در شرایط نزدیک به محیط از محلول های فوق اشباع امتناع می ورزد. مشکل دولومیت “نماینده یک رمز و راز اساسی در نظریه رشد کریستال” است. ونهائو ساندانشمند مواد در دانشگاه میشیگان، ایالات متحده آمریکا.

سان و تیمش با استفاده از شبیه‌سازی‌های اتمی، مکانیزمی برای تشکیل دولومیت ایجاد کرده‌اند و راه‌حلی برای مشکل دولومیت ارائه کرده‌اند. آنها ابتدا از نظریه تابعی چگالی (DFT) برای مقایسه سد هسته تشکیل دولومیت با سایر کانی های کربناته استفاده کردند. یافته‌های آن‌ها مبنی بر اینکه از نظر بزرگی مشابه کلسیت و آراگونیت است، نشان می‌دهد که بارش دولومیت محدود به هسته‌زایی نیست، بلکه محدود به رشد است. به عبارت دیگر، دولومیت در آزمایشگاه به دلیل دشواری در شروع تشکیل نمی‌شود، بلکه در مراحل بعدی فرآیند تشکیل می‌شود.

بلورهای دولومیت بسیار مرتب هستند و لایه‌هایی از کلسیم و منیزیم را نشان می‌دهند که توسط لایه‌هایی از آنیون‌های کربناته جدا شده‌اند. سان با مطالعه لبه رشد بلورهای دولومیت، اولین لحظه یورکا خود را تجربه کرد. لبه رشد Mg/Ca/Mg/Ca/ و غیره سفارش داده شد. هیچ راهی برای یون های موجود در محلول وجود ندارد که به این ترتیب تکراری کامل برسند! آنتروپی باعث بی نظمی می شود. تیم تحقیقاتی محاسبه کردند که تشکیل لایه‌های دولومیت منظم بر روی یک بستر بی‌نظم “پروتو دولومیت” از نظر انرژی نامطلوب است و پس از چند لایه خود محدود می‌شود.

سان توضیح می دهد که دومین لحظه یورکا زمانی فرا رسید که دانش آموز و نویسنده اول او، جونسو کیم، ویدئویی توسط فرانسیس راس از MIT از یک جلسه آزمایشگاهی را برجسته کرد. راس نشان داد که با ضربان دادن ولتاژ در حین رسوب الکتریکی مس، به جای دندریت های فراکتال با پتانسیل شیمیایی بالا، رشد مسطح مسطح به دست می آید. به این تیم فکر کرد که با چرخش از حالت فوق اشباع به کم اشباع شدن و بالعکس، نواحی بی نظم پروتودولومیت سریعتر از نواحی منظم حل می شوند و سطح دولومیت منظم به تدریج ظاهر می شود. به یاد دارم که در آن لحظه در یک جلسه گروهی از صندلی خود بیرون پریدم و کف زدم. فکر می کنم شاگردانم را ترساندم. این قطعا یک لحظه کلاسیک اورکا بود! سان می گوید.

سان برای تایید تجربی فرضیه خود به این موضوع روی آورد یوکی کیمورا، متخصص تداخل سنجی رشد کریستال در دانشگاه هوکایدو در ژاپن. او پیشنهاد استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری سلول مایع درجا با پرتو الکترونی پالسی را برای کاهش pH و شروع انحلال ارائه کرد، محلولی که سان می گوید «بسیار ظریف است». این تیم 3 میکرومتر دانه های دولومیت کریستالی را در یک سلول مایع کوچک پر از محلول فوق اشباع کربنات کلسیم منیزیم قرار دادند. پس از 3840 نوسان پرتو الکترونی در 128 دقیقه، آنها به طور مستقیم رشد حجمی دولومیت را در حدود 200 نانوتون مشاهده کردند. این مربوط به رشد حدود 300 لایه دولومیت است – پنج لایه بیشترین رشد تا کنون در آزمایشگاه است.

Sun توضیح می دهد: «حل کردن نمونه خود برای تشویق رشد بهتر کریستال کمی متناقض است. اما داستان دولومیت به ما می آموزد که نقص در مواد پرانرژی است و انحلال ابتدا آن مناطق معیوب پر انرژی را از بین می برد.

برخی از دانشمندان در مورد کاربرد این یافته ها در طبیعت تردید دارند. حتی اگر آنها قادر به سنتز دولومیت منظم در مرحله آزمایشی مطالعه خود باشند، استفاده از چرخه حالت اشباع محلول رسوب‌دهنده برای منشأ بسیاری از (پرجرم‌ترین) واحدهای دولومیت در تاریخ زمین‌شناسی بسیار دشوار خواهد بود. می گوید جی گرگاستاد بازنشسته زمین شناسی در دانشگاه ایالتی اوکلاهما. اما سان مخالف است. او خاطرنشان می‌کند: «سوابق زمین‌شناسی محل شکل‌گیری دولومیت مدرن در طبیعت از نظر پدیدارشناسی با مفهوم چرخه‌های انحلال/رسوب‌گذاری مجدد موافق است». ‘[Joonsoo] دریافتند که همه مکان‌های تشکیل دولومیت با چرخه‌های سیل و سپس تبخیر مرتبط هستند – که کاملاً با ایده ما از نوسانات فوق اشباع مطابقت دارد.

جنیفر رابرتزیک زمین شناس در دانشگاه کانزاس ایالات متحده نیز معتقد است که این شواهد تجربی را می توان به محیط های طبیعی ترجمه کرد. او می‌گوید: «کار تئوری قوی است و آنها با شرایط پیچیده محیطی ارتباط قانونی برقرار می‌کنند. “به چالش کشیدن دیدگاه غالب مبنی بر اینکه فوق اشباع دائمی ضروری است، به ویژه قانع کننده است، زیرا به شرایط مدرن تبدیل می شود که در آن ما فوق اشباع/زیاد اشباع فصلی یا اپیزودیک را می بینیم.”

Sun امیدوار است که کار آنها تلاش های بیشتری را برای آزمایش ایده های آنها تحریک کند. «آنچه در کارمان ارائه کرده‌ایم یک مکانیسم و ​​اولین تلاش آزمایشی برای اعتبار بخشیدن به مکانیسم است. این قطعا آزمایش نهایی و قطعی نیست. برای سایر روش های ممکن شکل گیری باز است. نظریه ما لزوماً تنها مکانیسمی نیست که دولومیت توسط آن شکل گرفته است، اما یک مسیر قابل دوام و معقول است.