“白云石謎題”終得破解

在世界為數不多的一些山脈中，白云石山的一種重要礦物質——白云石在年代超過1億年的巖層中很常見，而在年輕的巖層中幾乎見不到。過去200年里，科學家在自己認為的白云石自然成因條件下，想在實驗室里合成白云石，但一直沒成功——這被稱為“白云石謎題”。

在其中作梗的是缺陷

礦物質在形成結晶時，原子通常會整齊排列在正在生長的晶體表面。然而，白云石的生長邊是由交錯排列的鈣和鎂行列組成的。在晶體形成過程中，鈣和鎂會雜亂附著在生長中的白云石晶體上，因此附著的位置經常都不對，由此形成的缺陷會阻止更多的白云石層形成。這種雜亂造成白云石生長極其緩慢，1000萬年才能形成一個有序的白云石層。因此，在實驗室里合成白云石的終極要點就是——消除在白云石生長過程中其礦物結構上的缺陷。

幸運的是，這些缺陷并非是固定的。因為無序的原子結構不如有序的原子結構穩定，所以當礦物質被水沖洗時，無序的原子會首先溶解。經過雨水或潮汐等的反復清洗，這些缺陷會被洗掉，這樣一來，僅需幾年就會形成一個白云石層。經過漫長的地質歷史，白云石山就聳立起來。

透射電子顯微鏡測試

為了準確模擬白云石的生長，科學家需要計算原子在一個已有的白云石表面附著的松緊度。最準確的模擬，要求算出在生長的晶體中原子與電子之間每一次互動的能量大小。如此的計算量很大，直到最近才研發的一個軟件終于讓這種計算的速度變得可行，由此，科學家就能在很短時間里模擬在很長時間里白云石的生長。這個軟件能計算一些原子排列所涉及的能量，科學家由此可基于晶體結構的對稱性，推斷其他排列所涉及的能量。

今天的白云石產區都間歇性遭遇洪水和干旱，這與某理論模型相符合。但僅憑這個證據，該理論并不令人信服。為此，科研團隊最近運用透射電子顯微鏡來驗證理論。這種顯微鏡通常使用電子束來成像，而電子束也會分解水，由此產生的酸會導致晶體溶解。通常，這不利于成像。但在新測試中。這種溶解恰恰是科學家所需要的。

一個夢想實現

科研團隊把微小的白云石晶體放進鈣和鎂的溶液中，然后在超過兩小時里通過弱脈沖發射電子束4000次，溶解掉晶體里的缺陷。之后，他們發現白云石生長出接近100納米、共300層的厚度，而在之前的實驗室模擬中，這個層數從未超過5層。

過去，追求無缺陷制造晶體的人們只能很緩慢地嘗試制造這類晶體。但新研究結果表明，只需周期性溶解掉在晶體生長過程中避免不了的缺陷，就可能快速制造沒有缺陷的材料。“白云石謎題”由此終于被破解。