破解200年地质之谜：科学家在实验室成功培育白云石

如今，人工培育矿物并不罕见，如钻石、水晶等。

所谓“人工培育”，是在实验室中模拟矿物形成的自然条件，以生成矿物。但200年来，科学家始终无法在实验室培育出一种矿物——白云石，因为其自然成因一直存在争议。这又被称作“白云石问题”。

现在，美国密歇根大学和日本北海道大学的研究人员成功揭开了“白云石问题”这一地质谜团，实现了该矿物的实验室培育。这要归功于他们从原子模拟中发展出的新理论。相关研究11月23日发表于《科学》。

1791年，法国地质学家Deo Dolomieu在意大利东北部的多洛米蒂山首次发现并命名了白云石这种矿物。它多出现在1亿年前的岩层中，而在较年轻的岩层中几乎很难寻到它的踪影。

自白云石被发现后的两个多世纪中，其起源问题成为研究争论的核心。

“如果我们能了解白云石在自然界中是如何生长的，就会从中得到利用现代技术促进材料晶体生长的新策略。”密歇根大学教授、论文通讯作者孙文浩（音）说。

孙文浩等人通过研究发现，在实验室培育白云石的秘诀是在其生长过程中去除矿物结构缺陷。

当矿物在水中形成时，原子通常整齐地沉积在晶体表面的边缘。研究人员发现，白云石晶体边缘由交替排列的钙和镁组成。当其在水中生长时，钙和镁会随机附着在生长的晶体上，如果沉积在错误的位置则产生结构缺陷，阻止岩层形成。这意味着白云石生长缓慢，或许1000万年才能形成一层有序的白云石。

不过，这些引起结构缺陷的无序原子比处于正确位置的原子更不稳定，所以当用水冲洗矿物时，它们是最先被溶解的，比如通过雨水或潮汐的反复冲刷，就能够去除这些缺陷。因此，实际上只需几年时间就能形成白云石层。随着地质时间推移，大量白云石会堆积起来。

为了在实验室中准确模拟白云石的生长过程，研究人员需要计算附着在现有白云石表面的原子强度或松散程度。而这种详尽的计算通常需要足够强的算力。于是，密歇根大学预测结构材料科学中心开发了一种软件，为模拟计算打通了一条捷径。

“我们的软件可以计算一些原子排列的能量，然后根据晶体结构的对称性进行推算，预测其他原子排列的能量。”该软件主要开发人员之一、密歇根大学Brian Puchala说，该软件使研究人员可以在地质时间尺度上模拟白云石的生长。

如今，形成白云石的少数地区存在间歇河，即出现间歇性洪水，随后又干涸。这与孙文浩等人的理论一致。但仅凭上述证据还不足以完全令人信服。

为此，北海道大学教授Yuki Kimura及其实验室博士后Tomoya Yamazaki加入孙文浩等人的研究团队。他们用一种透射电子显微镜对新理论进行了检测。

“电子显微镜通常发射电子束对样本进行成像。然而，电子束会分解水，从而产生酸，致使晶体溶解。这通常不利于成像。但这正是我们想要的。”Kimura说。

在将一个微小的白云石晶体放入钙和镁的溶液中后，Kimura和Yamazaki在两个小时内发出轻微电子脉冲束4000次，消除了晶体结构缺陷。这之后白云石晶体生长了大约100纳米。尽管这只相当于生长了300层白云石，但以前实验室中从未生长过超过5层白云石。

研究人员从解决“白云石问题”的过程中得到的经验，可以帮助工程师找到制造更高质量材料的技术。

“过去想要制造没有缺陷的材料，需要在实验室慢慢培育。而我们的研究理论表明，如果在生长过程中周期性地去除材料结构缺陷，就可以快速生长出无缺陷的材料。”孙文浩说。

相关论文信息：https://doi.org/10.1126/science.adi3690