مواد و ساخت پیشرفته

پروفسور وینائو سان که رشد کریستالی مواد معدنی را از دیدگاه علم مواد مطالعه می‌‌نماید معتقد است با درک اینکه چگونه اتم‌ها به هم می‌رسند تا مواد معدنی طبیعی را تشکیل دهند ما می‌توانیم مکانیسم‌های بنیادی رشد کریستال را آشکار کنیم که این امر می‌تواند برای ساخت سریع‌تر و کارآمدتر مواد کاربردی استفاده شود.

برای ایجاد کوه از کانی رایج دولومیت، آن باید به طور دوره‌ای حل شود. این مفهوم به ظاهر متناقض می‌تواند به ساخت نیمه‌هادی‌های جدید بدون نقص و موارد دیگر کمک کند. طی دو قرن اخیر هنوز دانشمندان نتوانسته‌اند یک ماده معدنی معمولی را در آزمایشگاه تحت شرایطی که تصور می‌شود طبیعت آن را به طور طبیعی تشکیل داده است، رشد دهند. در حال حاضر تیمی از محققان دانشگاه میشیگان و دانشگاه هوکایدو در ساپورو ژاپن، سرانجام به لطف نظریه جدیدی که از شبیه‌سازی‌های اتمی ایجاد شده است، موفق به این کار شده‌اند.

موفقیت آنها یک معمای دیرینه زمین‌شناسی به نام "مشکل دولومیت" را حل می‌کند. دولومیت یک کانی کلیدی در کوه‌های دولومیت در ایتالیا، آبشار نیاگارا، صخره‌های سفید دوور و هودوهای یوتای آمریکا است و در سنگ‌های قدیمی‌تر از صد میلیون ساله بسیار فراوان است اما در سازندهای جوان‌تر تقریباً وجود ندارد. وینائو سان استادیار علوم و مهندسی مواد اولیه در دانشگاه میشیگان و جونسو کیم دانشجوی دکترای علوم و مهندسی مواد، نظریه‌ای را ارائه کرده‌اند که در نهایت می‌تواند یک معمای دویست ساله را درباره فراوانی دولومیت در زمین توضیح دهد.

سان معتقد است اگر ما درک کنیم که دولومیت چگونه در طبیعت رشد می‌کند، ممکن است راهبردهای جدیدی برای ترویج رشد کریستالی مواد فناوری مدرن بیاموزیم. راز رشد نهایی دولومیت در آزمایشگاه، از بین بردن نقص در ساختار معدنی در حین رشد بود. وقتی مواد معدنی در آب تشکیل می‌شوند، اتم‌ها معمولاً روی لبه‌ای از سطح کریستال در حال رشد رسوب می‌کنند. با این حال لبه رشد دولومیت از ردیف‌های متناوب کلسیم و منیزیم تشکیل شده است.

در آب، کلسیم و منیزیم به طور تصادفی به کریستال دولومیت در حال رشد متصل می‌شوند که اغلب در نقطه اشتباهی قرار می‌گیرند و نقص‌هایی ایجاد می‌کنند که از تشکیل لایه‌های اضافی دولومیت جلوگیری می‌کند. این اختلال، رشد دولومیت را تا حد کشنده‌ای کند می‌کند به این معنی که ساختن تنها یک لایه دولومیت منظم ده میلیون سال طول می‌کشد! خوشبختانه این نقص‌ها در جای خود قفل نیستند و از آنجاییکه اتم‌های بی‌نظم نسبت به اتم‌هایی که در موقعیت صحیح قرار دارند، پایداری کمتری دارند، اولین اتم‌هایی هستند که وقتی کانی با آب شسته می‌شوند، حل می‌شوند.

شستشوی مکرر این عیوب به عنوان مثال با باران یا چرخه جزر و مدی، اجازه می‌دهد تا لایه دولومیت تنها در عرض چند سال تشکیل شود. از اینرو طی زمان معقول از نگاه زمین‌شناسی، کوه‌های دولومیتی می‌توانند انباشته شوند. برای شبیه‌سازی دقیق رشد دولومیت، محققان باید محاسبه کنند که اتم‌ها چقدر قوی یا شل به سطح دولومیت موجود می‌چسبند. دقیق‌ترین شبیه‌سازی‌ها به انرژی هر برهمکنش بین الکترون‌ها و اتم‌ها در کریستال در حال رشد نیاز دارد.

چنین محاسبات جامعی معمولاً به مقادیر عظیمی از قدرت محاسباتی نیاز دارند، اما نرم‌افزار توسعه یافته در مرکز علوم مواد ساختار پیش‌بینی کننده (PRISMS) U-M یک راه میان‌بر ارائه می‌دهد. برایان پوچالا، یکی از توسعه‌دهندگان اصلی نرم‌افزار و دانشمند پژوهشی در دپارتمان رشته علوم و مهندسی مواد مدعی است نرم‌افزارشان انرژی را برای برخی آرایش‌های اتمی محاسبه می‌کند، سپس برای پیش‌بینی انرژی برای آرایش‌های دیگر براساس تقارن ساختار بلوری، برون‌یابی می‌کند. همین میان‌بر، شبیه‌سازی رشد دولومیت را در بازه‌های زمانی زمین‌شناسی امکان‌پذیر کرد.

هر مرحله اتمی معمولاً بیش از 5000 ساعت سی‌پی‌یو در یک ابررایانه طول می‌کشد. ولی اکنون می‌توانیم همان محاسبه را در دو میلی‌ثانیه روی دسکتاپ انجام دهیم! معدود مناطقی که امروزه دولومیت در آنها شکل می‌گیرد به طور متناوب سیل می‌زند و بعداً خشک می‌شود، که به خوبی با نظریه سان و کیم همسو است. اما چنین شواهدی به تنهایی برای قانع‌کننده بودن کافی نبود. یوکی کیمورا استاد علم مواد از دانشگاه هوکایدو و تومویا یامازاکی محقق فوق دکترا در آزمایشگاه کیمورا  نیز نظریه جدید را با میکروسکوپ‌های الکترونی عبوری آزمایش کردند.

کیمورا در انی رابطه اظهار داشت که میکروسکوپ‌های الکترونی معمولاً از پرتوهای الکترونی فقط برای تصویربرداری از نمونه‌ها استفاده می‌کنند. با این حال پرتو همچنین می‌تواند آب را شکافته و اسیدی می‌سازد که قادر است باعث حل شدن کریستال‌ها شود. معمولاً این امر برای تصویربرداری بد است اما در این مورد، انحلال دقیقاً همان چیزی است که ما می‌خواستیم.

پس از قرار دادن یک بلور ریز دولومیت در محلول کلسیم و منیزیم، کیمورا و یامازاکی به آرامی پرتو الکترونی را چهار هزار بار طی دو ساعت پالس کردند و نقص‌ها را از بین بردند. پس از پالس‌ها، دولومیت تقریباً 100 نانومتر رشد کرد که حدود 250000 برابر کوچک‌تر از یک اینچ است. اگرچه این مقدار تنها معادل سیصد لایه دولومیت بود اما وقتی بدانیم که تا به حال بیش از پنج لایه دولومیت در آزمایشگاه رشد نکرده بود به ارزش این تکنیک واقف خواهیم شد.

درس‌های آموخته شده از مشکل دولومیت می‌تواند به مهندسان کمک کند تا مواد با کیفیت بالاتر برای نیمه‌هادی‌ها، پنل‌های خورشیدی، باتری‌ها و سایر فناوری‌ها بسازند. سان در این مورد گفت در گذشته، تولیدکنندگان کریستال که می‌خواستند مواد بدون نقص بسازند، سعی می‌کردند آنها را به آرامی رشد دهند اما تئوری ما نشان می‌دهد که اگر به طور دوره‌ای در طول رشد عیوب را از بین ببریم، می‌توانیم مواد بدون نقص را به سرعت رشد دهید.