Gizemli Kristal Oluşumunu İçeren “Dolomit Sorunu” İki Asır Sonra Çözüldü
Malzeme bilimini 200 yıldır uğraştıran gizem nihayet çözüldü. Birçok antik kaya oluşumunda bulunan bir mineral, bilim insanlarının onu doğada oluşturduğunu düşündükleri koşulları yeniden yaratabilmelerine rağmen, laboratuvarda büyütme çabalarına inatla direniyordu. Şimdi ise bir ekip, ilk kez dolomit kristallerinin nasıl hızlı bir şekilde büyütülebileceğini bularak sorunu çözdü.
Dolomit o kadar önemli bir mineraldir ki, adını taşıyan koca bir dağ silsilesi vardır. İtalyan Alplerindeki bu zirvelerin yanı sıra, dolomit Dover’ın Beyaz Kayalıklarında, Utah’ın kukuletalarında ve 100 milyon yıldan daha eskiye dayanan diğer kayalarda da bol miktarda bulunur. Aslında Dünya’nın kabuğundaki kendi türündeki minerallerin (karbonatlar) neredeyse yüzde 30’unu oluşturur, ancak daha yakın zamanda oluşan kayalarda belirgin bir şekilde yoktur.
Doğal büyüme koşullarını dikkatlice yeniden yaratmaya çalışmalarına rağmen, bilim insanları iki yüzyıl boyunca laboratuvarda dolomit kristalleri üretmeyi başaramadılar. Bu gizemi çözmek için temellere geri dönmeleri gerekiyordu.
Michigan Üniversitesi’nden sorumlu yazar Wenhao Sun yaptığı açıklamada, “Dolomitin doğada nasıl büyüdüğünü anlarsak, modern teknolojik malzemelerin kristal büyümesini teşvik etmek için yeni stratejiler öğrenebiliriz” dedi.
Dolomit kristalleri, jeolojik zaman içinde kalsiyum ve magnezyum katmanlarının dönüşümlü olarak birikmesiyle oluşur. Zaman alıcı olsa da kulağa yeterince basit geliyor, ancak bir engel var. Etrafta su olduğunda, kalsiyum ve magnezyum atomları kristalin büyüme kenarına rastgele, genellikle de yanlış yere bağlanabilir. Bu kusurlar, dönüşümlü katmanların doğru bir şekilde oluşmasını engeller, bu yüzden tek bir düzenli dolomit kayası katmanı oluşturmak bu kadar uzun sürer – 10 milyon yıl.
Sun ve ekibinin bekleyecek 10 milyon yılı olmadığından, büyüyen bir dolomit kristalindeki atomlar arasında meydana gelen tüm olası etkileşimleri simüle etmek için güçlü bir yazılıma başvurdular.
“Her bir atomik adım normalde bir süper bilgisayarda 5.000 CPU saatinden fazla zaman alırdı. Şimdi aynı hesaplamayı bir masaüstünde 2 milisaniyede yapabiliyoruz” diyor ilk yazar Joonsoo Kim.
Ekip bir teoriye ulaştı: Belki de dolomit, periyodik olarak daha düşük kalsiyum ve magnezyum konsantrasyonunun olduğu döngülerden geçirilirse daha hızlı büyürdü. Çoğu kristal aşırı doymuş bir çözeltide, yani atomik bileşenlerinin çok yüksek seviyelerde bulunduğu durumlarda iyi büyür. Ancak dolomit için bu sadece daha fazla kusura yol açar ve her şeyi yavaşlatır.
Ekip, teoriyi test etmek için Hokkaido Üniversitesi’ndeki işbirlikçilerine danıştı ve bir transmisyon elektron mikroskobu kullanılarak ustaca bir deney tasarlandı.
Hokkaido Üniversitesi’nde malzeme bilimi profesörü olan Yuki Kimura, “Elektron mikroskopları genellikle elektron ışınlarını sadece örnekleri görüntülemek için kullanır” dedi. “Ancak, ışın aynı zamanda suyu da parçalayabilir, bu da kristallerin çözünmesine neden olabilecek asit oluşturur. Genellikle bu durum görüntüleme için kötüdür, ancak bu durumda çözünme tam olarak istediğimiz şeydi.”
Kalsiyum ve magnezyum çözeltisi içindeki küçük bir dolomit kristali, kristali çözmeye başlamak için iki saatlik bir süre boyunca 4.000 kez darbelenen elektron ışınına maruz bırakıldı. Işın kapatıldığında, çevredeki çözelti hızla kendini daha doygun bir duruma getirmektedir.
Cazibe gibi çalıştı. Bu işlemden sonra ekip, kristalin yaklaşık 100 nanometre büyüdüğünü gözlemlemekten mutluluk duydu. Bu kulağa çok fazla gelmeyebilir, ancak yeni oluşan 300 dolomit katmanını temsil ediyor. Daha önce bir laboratuvarda elde edilen en yüksek değer beşti.
Bulgular aynı zamanda doğada gözlemlenenlerle de örtüşüyor. Günümüzde dolomitin oluştuğu sadece birkaç yer var, ancak bunların hepsi sel döngüsünün ardından daha kuru koşulların yaşandığı yerler.
Dolomit sorununun çözülmesi büyük bir dönüm noktasıdır. Çalışmada doğrudan yer almayan Juan Manuel García-Ruiz, çalışmaya eşlik eden bir Perspektif’te “Bu keşif, doğal dünyada masif dolomit oluşumunu etkileyen jeokimyasal sürecin araştırılmasına kapı açıyor” diye yazdı.
Sadece bu da değil, hatasız kristallerin hızlı bir şekilde nasıl yetiştirileceğini öğrenmek, yarı iletkenler, güneş panelleri ve piller gibi ürünlerin birçok hayati bileşeninin üretimi için önemli uygulamalara sahip olabilir.
Sun, “Geçmişte, hatasız malzemeler yapmak isteyen kristal yetiştiricileri onları gerçekten yavaş büyütmeye çalışırlardı” dedi. “Teorimiz, büyüme sırasında kusurları periyodik olarak çözerseniz, hatasız malzemeleri hızlı bir şekilde büyütebileceğinizi gösteriyor.”
Kaynak: https://www.iflscience.com
Derleyen: Figen Berber