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200年来，科学家一直未能在实验室种植出一种自然形成的常见矿物“白云石”，但现在，来自美国和日本的科学家终于取得了成功。发表于最新一期《科学》杂志的研究成果，有望为半导体、太阳能电池板等领域带来性能更优异的材料。
白云石广泛存在于意大利白云石山脉、加拿大尼亚加拉瀑布、英国多佛白崖和美国犹他州胡杜斯，在有1亿年历史的岩石中非常丰富，但在较年轻的地层中几乎难觅芳踪。了解白云石在自然界中如何生长，有助于促进现代技术所需要材料的晶体生长。
密歇根大学研究人员最终在实验室中种植出白云石的秘诀是：在其生长过程中去除矿物质结构内的缺陷。白云石在生长过程中形成的缺陷使一层有序的白云石需要1000万年才能形成，但幸运的是，这些缺陷并没有“被锁死”。因为无序的原子比有序的原子更不稳定，用水冲洗矿物时，它们最先溶解。因此，如果被雨水或潮汐反复冲洗掉这些缺陷，只需几年时间就能形成一层白云石。
准确模拟白云石的生长过程需要大量算力，为此研究团队开发出一款新软件，使原本需要5000个CPU工作1小时的工作在2毫秒内完成，让他们得以在地质时间尺度上模拟白云石的生长。
北海道大学研究人员则借助透射电子显微镜测试了上述理论。他们将一小块白云石晶体放入钙和镁的溶液中，随后在2小时内朝其发射4000次电子束，消除了缺陷，而接受了“脉冲”洗礼的白云石生长了约100纳米。
研究人员表示，过去科学家想要制造没有缺陷的晶体材料只能慢慢生长，但最新研究表明，如果在晶体生长过程中周期性地溶解缺陷，可以快速生长出无缺陷的材料。这项研究有助于为半导体、太阳能电池板等制造出更高质量的材料。
研究人员孙文浩及其博士后金圣洙
图片来源：密歇根大学官网
发布时间：2023-11-29 10:02
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