“白云石谜题”终得破解

在世界为数不多的一些山脉中，白云石山的一种重要矿物质——白云石在年代超过1亿年的岩层中很常见，而在年轻的岩层中几乎见不到。过去200年里，科学家在自己认为的白云石自然成因条件下，想在实验室里合成白云石，但一直没成功——这被称为“白云石谜题”。

在其中作梗的是缺陷

矿物质在形成结晶时，原子通常会整齐排列在正在生长的晶体表面。然而，白云石的生长边是由交错排列的钙和镁行列组成的。在晶体形成过程中，钙和镁会杂乱附着在生长中的白云石晶体上，因此附着的位置经常都不对，由此形成的缺陷会阻止更多的白云石层形成。这种杂乱造成白云石生长极其缓慢，1000万年才能形成一个有序的白云石层。因此，在实验室里合成白云石的终极要点就是——消除在白云石生长过程中其矿物结构上的缺陷。

幸运的是，这些缺陷并非是固定的。因为无序的原子结构不如有序的原子结构稳定，所以当矿物质被水冲洗时，无序的原子会首先溶解。经过雨水或潮汐等的反复清洗，这些缺陷会被洗掉，这样一来，仅需几年就会形成一个白云石层。经过漫长的地质历史，白云石山就耸立起来。

透射电子显微镜测试

为了准确模拟白云石的生长，科学家需要计算原子在一个已有的白云石表面附着的松紧度。最准确的模拟，要求算出在生长的晶体中原子与电子之间每一次互动的能量大小。如此的计算量很大，直到最近才研发的一个软件终于让这种计算的速度变得可行，由此，科学家就能在很短时间里模拟在很长时间里白云石的生长。这个软件能计算一些原子排列所涉及的能量，科学家由此可基于晶体结构的对称性，推断其他排列所涉及的能量。

今天的白云石产区都间歇性遭遇洪水和干旱，这与某理论模型相符合。但仅凭这个证据，该理论并不令人信服。为此，科研团队最近运用透射电子显微镜来验证理论。这种显微镜通常使用电子束来成像，而电子束也会分解水，由此产生的酸会导致晶体溶解。通常，这不利于成像。但在新测试中。这种溶解恰恰是科学家所需要的。

一个梦想实现

科研团队把微小的白云石晶体放进钙和镁的溶液中，然后在超过两小时里通过弱脉冲发射电子束4000次，溶解掉晶体里的缺陷。之后，他们发现白云石生长出接近100纳米、共300层的厚度，而在之前的实验室模拟中，这个层数从未超过5层。

过去，追求无缺陷制造晶体的人们只能很缓慢地尝试制造这类晶体。但新研究结果表明，只需周期性溶解掉在晶体生长过程中避免不了的缺陷，就可能快速制造没有缺陷的材料。“白云石谜题”由此终于被破解。