如今，人工培育礦物并不罕見，如鉆石、水晶等。

所謂“人工培育”，是在實驗室中模擬礦物形成的自然條件，以生成礦物。但200年來，科學家始終無法在實驗室培育出一種礦物——白云石，因為其自然成因一直存在爭議。這又被稱作“白云石問題”。

現在，美國密歇根大學和日本北海道大學的研究人員成功揭開了“白云石問題”這一地質謎團，實現了該礦物的實驗室培育。這要歸功于他們從原子模擬中發展出的新理論。相關研究11月23日發表于《科學》。

1791年，法國地質學家Deo Dolomieu在意大利東北部的多洛米蒂山首次發現并命名了白云石這種礦物。它多出現在1億年前的巖層中，而在較年輕的巖層中幾乎很難尋到它的蹤影。

自白云石被發現后的兩個多世紀中，其起源問題成為研究爭論的核心。

“如果我們能了解白云石在自然界中是如何生長的，就會從中得到利用現代技術促進材料晶體生長的新策略。”密歇根大學教授、論文通訊作者孫文浩（音）說。

孫文浩等人通過研究發現，在實驗室培育白云石的秘訣是在其生長過程中去除礦物結構缺陷。

當礦物在水中形成時，原子通常整齊地沉積在晶體表面的邊緣。研究人員發現，白云石晶體邊緣由交替排列的鈣和鎂組成。當其在水中生長時，鈣和鎂會隨機附著在生長的晶體上，如果沉積在錯誤的位置則產生結構缺陷，阻止巖層形成。這意味著白云石生長緩慢，或許1000萬年才能形成一層有序的白云石。

不過，這些引起結構缺陷的無序原子比處于正確位置的原子更不穩定，所以當用水沖洗礦物時，它們是最先被溶解的，比如通過雨水或潮汐的反復沖刷，就能夠去除這些缺陷。因此，實際上只需幾年時間就能形成白云石層。隨著地質時間推移，大量白云石會堆積起來。

為了在實驗室中準確模擬白云石的生長過程，研究人員需要計算附著在現有白云石表面的原子強度或松散程度。而這種詳盡的計算通常需要足夠強的算力。于是，密歇根大學預測結構材料科學中心開發了一種軟件，為模擬計算打通了一條捷徑。

“我們的軟件可以計算一些原子排列的能量，然后根據晶體結構的對稱性進行推算，預測其他原子排列的能量。”該軟件主要開發人員之一、密歇根大學Brian Puchala說，該軟件使研究人員可以在地質時間尺度上模擬白云石的生長。

如今，形成白云石的少數地區存在間歇河，即出現間歇性洪水，隨后又干涸。這與孫文浩等人的理論一致。但僅憑上述證據還不足以完全令人信服。

為此，北海道大學教授Yuki Kimura及其實驗室博士后Tomoya Yamazaki加入孫文浩等人的研究團隊。他們用一種透射電子顯微鏡對新理論進行了檢測。

“電子顯微鏡通常發射電子束對樣本進行成像。然而，電子束會分解水，從而產生酸，致使晶體溶解。這通常不利于成像。但這正是我們想要的。”Kimura說。

在將一個微小的白云石晶體放入鈣和鎂的溶液中后，Kimura和Yamazaki在兩個小時內發出輕微電子脈沖束4000次，消除了晶體結構缺陷。這之后白云石晶體生長了大約100納米。盡管這只相當于生長了300層白云石，但以前實驗室中從未生長過超過5層白云石。

研究人員從解決“白云石問題”的過程中得到的經驗，可以幫助工程師找到制造更高質量材料的技術。

“過去想要制造沒有缺陷的材料，需要在實驗室慢慢培育。而我們的研究理論表明，如果在生長過程中周期性地去除材料結構缺陷，就可以快速生長出無缺陷的材料。”孫文浩說。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/science.adi3690