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Les scientifiques ont finalement réussi à faire pousser de la dolomite en laboratoire en dissolvant les défauts structurels pendant la croissance

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Les scientifiques ont finalement réussi à faire pousser de la dolomite en laboratoire en dissolvant les défauts structurels pendant la croissance

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Structure de bord cristallin de dolomite. Des rangées de magnésium (boules oranges) alternent avec des rangées de calcium (boules bleues), entrecoupées de carbonates (structures noires). Les flèches roses montrent les directions de croissance des cristaux. Le calcium et le magnésium se lient souvent de manière incorrecte au bord de la croissance, arrêtant ainsi la croissance de la dolomite. Crédit : Junsu Kim, Université du Michigan

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Structure de bord cristallin de dolomite. Des rangées de magnésium (boules oranges) alternent avec des rangées de calcium (boules bleues), entrecoupées de carbonates (structures noires). Les flèches roses montrent les directions de croissance des cristaux. Le calcium et le magnésium se lient souvent de manière incorrecte au bord de la croissance, arrêtant ainsi la croissance de la dolomite. Crédit : Junsu Kim, Université du Michigan

Pendant 200 ans, les scientifiques n’ont pas réussi à cultiver un minéral commun en laboratoire dans les conditions dans lesquelles on pense qu’il s’est formé naturellement. Aujourd’hui, une équipe de chercheurs de l’Université du Michigan et de l’Université d’Hokkaido à Sapporo, au Japon, a finalement réussi, grâce à une nouvelle théorie développée grâce à des simulations atomiques.

Leur succès résout un mystère géologique de longue date appelé « problème des dolomites ». La dolomite – un minéral clé trouvé dans les montagnes des Dolomites en Italie, dans les chutes du Niagara et dans les falaises blanches de Douvres et Hoodoo dans l’Utah – est abondante dans les roches. Plus de 100 millions d’annéesCependant, il est quasiment absent dans les jeunes formations.

« Si nous comprenons comment la dolomite se développe dans la nature, nous pourrions apprendre de nouvelles stratégies pour améliorer la croissance cristalline des matériaux technologiques modernes », a déclaré Wenhao Sun, professeur de science et d’ingénierie des matériaux à l’UM et auteur correspondant de l’article publié. aujourd’hui dans les sciences.

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Le secret pour finalement faire pousser de la dolomite en laboratoire consistait à éliminer les défauts de la structure minérale au fur et à mesure de sa croissance. Lorsque les minéraux se forment dans l’eau, les atomes se déposent généralement proprement au bord de la surface cristalline en croissance. Cependant, la limite de croissance de la dolomite est constituée de rangées alternées de calcium et de magnésium.

Dans l’eau, le calcium et le magnésium s’attachent de manière aléatoire aux cristaux de dolomite en croissance, se déposant souvent au mauvais endroit et créant des défauts qui empêchent la formation de couches supplémentaires de dolomite. Cette perturbation ralentit considérablement la croissance de la dolomite, ce qui signifie qu’il faudrait 10 millions d’années pour former une seule couche de dolomite ordonnée.

Heureusement, ces défauts ne sont pas corrigés. Parce que les atomes désordonnés sont moins stables que les atomes dans la bonne position, ils sont les premiers à se dissoudre lorsque le métal est lavé à l’eau. Le lavage répété de ces failles, par exemple avec les cycles de pluie ou de marée, permet à la couche de dolomite de se former en quelques années seulement. Au fil des temps géologiques, les montagnes de dolomite peuvent s’accumuler.

Pour simuler avec précision la croissance de la dolomite, les chercheurs ont dû calculer la force ou la faiblesse avec laquelle les atomes étaient attachés à la surface de la dolomite existante. Des simulations plus précises nécessitent l’énergie de chaque interaction entre les électrons et les atomes dans le cristal en croissance. De tels calculs exhaustifs nécessitent généralement d’énormes quantités de puissance de calcul, mais un logiciel développé au Centre pour la science prédictive des matériaux structurels (PRISMS) de l’UM a fourni un raccourci.

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Crédit : Université du Michigan

« Notre logiciel calcule l’énergie de certains arrangements atomiques, puis les extrapole pour prédire les énergies d’autres arrangements en fonction de la symétrie de la structure cristalline », a déclaré Brian Buchala, l’un des principaux développeurs du programme et chercheur associé au département de l’UM. de matériaux. Sciences et ingénierie.

Ce raccourci a permis de simuler la croissance de la dolomite à des échelles de temps géologiques.

« Chaque étape atomique nécessite généralement plus de 5 000 heures de processeur sur un superordinateur. Désormais, nous pouvons effectuer le même calcul en 2 millisecondes sur un ordinateur de bureau », a déclaré Junsu Kim, doctorant en science et ingénierie des matériaux et premier auteur de l’étude.

Les quelques zones où se forment aujourd’hui de la dolomite sont inondées par intermittence, puis s’assèchent, ce qui concorde bien avec la théorie de Sun et Kim. Mais de telles preuves ne suffisaient pas à elles seules pour être totalement convaincantes. Entrez Yuki Kimura, professeur de science des matériaux à l’Université d’Hokkaido, et Tomoya Yamazaki, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Kimura. Ils ont testé la nouvelle théorie à l’aide de microscopes électroniques à transmission.

« Les microscopes électroniques utilisent généralement uniquement des faisceaux d’électrons pour imager des échantillons », a déclaré Kimura. « Cependant, le faisceau peut également diviser l’eau, produisant de l’acide qui peut provoquer la dissolution des cristaux. Normalement, cela est mauvais pour l’imagerie, mais dans ce cas, la fusion est exactement ce que nous souhaitions. »

Après avoir placé un petit cristal de dolomite dans une solution de calcium et de magnésium, Kimura et Yamazaki ont doucement pulsé le faisceau d’électrons 4 000 fois en deux heures, éliminant ainsi les défauts. Après les impulsions, la dolomite a augmenté d’environ 100 nanomètres, soit environ 250 000 fois plus petite qu’un pouce. Bien qu’il ne s’agisse que de 300 couches de dolomite, plus de cinq couches de dolomite n’avaient jamais été cultivées en laboratoire auparavant.

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Les enseignements tirés du problème de la dolomite pourraient aider les ingénieurs à fabriquer des matériaux de meilleure qualité pour les semi-conducteurs, les panneaux solaires, les batteries et d’autres technologies.

« Dans le passé, les cristallistes qui voulaient fabriquer des matériaux impeccables essayaient de les faire pousser très lentement », a déclaré Sun. « Notre théorie montre que vous pouvez cultiver rapidement des matériaux sans défauts si vous dissolvez les défauts périodiquement pendant la croissance. »

Plus d’information:
Junsu Kim et al., la dissolution permet aux cristaux de dolomite de se développer à proximité des conditions ambiantes, les sciences (2023). est ce que je: 10.1126/science.adi3690. www.science.org/doi/10.1126/science.adi3690

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Des chercheurs observent pour la première fois un catalyseur lors d’une réaction électrochimique

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Des chercheurs observent pour la première fois un catalyseur lors d’une réaction électrochimique

Les réactions électrochimiques sont essentielles à la fabrication de divers produits dans les industries.

La fabrication de l’aluminium, des tuyaux en PVC, du savon et du papier dépend de ces réactions électrochimiques, qui font également partie intégrante du fonctionnement des batteries des appareils électroniques, des voitures, des stimulateurs cardiaques et bien plus encore. De plus, elle a le potentiel de révolutionner la production d’énergie durable et l’utilisation des ressources.

Le cuivre et les catalyseurs similaires jouent un rôle crucial dans la catalyse de ces réactions et sont largement utilisés dans les applications électrochimiques industrielles. Cependant, le manque de compréhension du comportement des catalyseurs au cours des réactions a entravé le développement de catalyseurs améliorés. Jusqu’à présent, les chercheurs n’étaient capables d’imager les stimuli qu’avant et après les réactions, ce qui laisse un vide dans la compréhension des processus qui se produisent entre les deux.

Une collaboration entre le California Institute for Nanosystems de l’Université de Californie et le Lawrence Berkeley National Laboratory a supprimé cette limitation. L’équipe a utilisé une cellule électrochimique spécialement conçue pour surveiller la structure atomique du catalyseur en cuivre pendant la réaction conduisant à la décomposition du dioxyde de carbone.

Cette méthode offre un moyen potentiel de convertir les gaz à effet de serre en carburant ou en d’autres matériaux précieux. Les chercheurs ont enregistré des cas dans lesquels le cuivre formait des amas liquides puis disparaissait à la surface du catalyseur, entraînant des piqûres visibles.

« Pour quelque chose qui est si omniprésent dans nos vies, nous comprenons très peu de choses sur le fonctionnement des stimuli en temps réel. » a déclaré le co-auteur Bri Narang, professeur de sciences physiques à l’UCLA et membre du CNSI. « Nous avons désormais la capacité d’observer ce qui se passe au niveau atomique et de le comprendre d’un point de vue théorique.

« Tout le monde bénéficierait de la conversion directe du dioxyde de carbone en carburant, mais comment pouvons-nous le faire à moindre coût, de manière fiable et à grande échelle ? » a ajouté Narang, qui occupe également un poste en génie électrique et informatique à la School of Engineering de l’UCLA. « C’est le genre de science fondamentale qui devrait faire avancer ces défis. »

Sur la gauche, une flèche rouge suit le mouvement d’un atome de cuivre individuel pendant la réaction électrochimique. À droite, les flèches jaunes indiquent les piqûres restant dans la surface du catalyseur. Source de l’image : Qiubo Zhang/Laboratoire national Lawrence Berkeley

Les découvertes dans le domaine de la recherche sur le développement durable ont des implications significatives, et la technologie qui permet ces découvertes a le potentiel d’améliorer l’efficacité des processus électrochimiques dans diverses applications qui ont un impact sur la vie quotidienne.

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Selon Yu Huang, co-auteur de l’étude et professeur Traugott et Dorothea Frederking et directeur du Département de science et d’ingénierie des matériaux à l’UC Samueli, l’étude pourrait aider les scientifiques et les ingénieurs à passer d’essais et d’erreurs à une approche de conception plus systématique. .

« Toute information que nous pouvons obtenir sur ce qui se passe réellement lors de la stimulation électrique est d’une aide précieuse pour notre compréhension de base et notre recherche de conceptions pratiques. » a déclaré Huang, membre du CNSI. « Sans cette information, c’est comme si nous lancions des fléchettes les yeux bandés et espérions atteindre quelque part près de la cible. »

Un microscope électronique de haute puissance de la fonderie moléculaire du Berkeley Lab a été utilisé pour capturer les images. Ce microscope utilise un faisceau d’électrons pour examiner des spécimens avec un niveau de détail inférieur à la longueur d’onde de la lumière.

Des défis sont rencontrés en microscopie électronique lorsqu’on tente de révéler la structure atomique des matériaux dans des environnements liquides, comme le bain d’électrolyte salin nécessaire à une réaction électrochimique.

L’ajout d’électricité à l’échantillon augmente la complexité du processus. L’auteur correspondant Haiime Cheng, scientifique principal au Berkeley Lab et professeur adjoint à l’UC Berkeley, et ses collègues ont développé un dispositif hermétiquement fermé pour surmonter ces obstacles.

Les scientifiques ont effectué des tests pour s’assurer que le flux d’électricité dans le système n’affectait pas l’image résultante. En se concentrant sur l’endroit exact où le catalyseur en cuivre rencontre l’électrolyte liquide, l’équipe a enregistré les changements qui se sont produits sur une période d’environ quatre secondes.

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Au cours de la réaction, la structure du cuivre s’est transformée d’un réseau cristallin régulier, généralement présent dans les métaux, en une masse irrégulière. Ce faisceau désordonné, composé d’atomes de cuivre et d’ions chargés positivement ainsi que de quelques molécules d’eau, s’est ensuite déplacé à la surface du catalyseur. Ce faisant, les atomes ont été échangés entre du cuivre régulier et irrégulier, piquant la surface du catalyseur. Finalement, la masse irrégulière a disparu.

« Nous ne nous attendions pas à ce que la surface se transforme en une forme amorphe puis revienne à une structure cristalline. » a déclaré le co-auteur Yang Liu, étudiant diplômé de l’UCLA dans le groupe de recherche de Huang. « Sans cet outil spécial pour observer le système en action, nous ne serions jamais en mesure de capturer ce moment. Les progrès des outils de caractérisation comme ceux-ci permettent de nouvelles découvertes fondamentales, nous aidant à comprendre le fonctionnement des matériaux dans des conditions réelles. »

Référence du magazine :

  1. Qiubo Zhang, Zhigang Song, Qianhu Sun, Yang Liu, Jiawei Wan, Sophia B. Betzler, Qi Cheng, Junyi Shangguan, Karen C. Bustillo, Peter Ercius, Bryneha Narang, Yue Huang et Haimei Cheng. Dynamique atomique des interfaces solide-liquide électrifiées dans les cellules liquides TEM. Nature, 2024 ; Identification numérique : 10.1038/s41586-024-07479-s

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Des fossiles d’anciens reptiles ressemblant à des crocodiles découverts au Brésil

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Des fossiles d’anciens reptiles ressemblant à des crocodiles découverts au Brésil
Brasilia :

Un scientifique brésilien a découvert des fossiles de petits reptiles ressemblant à des crocodiles qui vivaient pendant la période du Trias, des millions d’années avant l’apparition des premiers dinosaures.

Les fossiles du prédateur, appelé Parvosuchus aureloi, comprennent un crâne complet, 11 vertèbres, un bassin et quelques os de membres, selon le paléontologue Rodrigo Muller de l’Université fédérale de Santa Maria dans l’État de Rio Grande, auteur de la recherche publiée jeudi. Journal des rapports scientifiques.

Parvosuchus, qui vivait il y a environ 237 millions d’années, marchait sur quatre pattes et mesurait environ un mètre de long et se nourrissait de reptiles plus petits. Les fossiles ont été découverts dans le sud du Brésil. Parvosuchus, qui signifie « petit crocodile », appartient à une famille éteinte de reptiles appelée Gracilissuchidae, qui jusqu’à présent n’était connue qu’en Argentine et en Chine.

« Les Gracilisuchidae sont des organismes extrêmement rares dans le monde paléontologique », a déclaré Mueller à Reuters. « Ce groupe est particulièrement intéressant car ils vivaient juste avant l’aube des dinosaures. Les premiers dinosaures vivaient il y a 230 millions d’années. »

Parvosuchus était un prédateur terrestre. Gracili suchidae représente l’une des branches les plus anciennes de la lignée connue sous le nom de Pseudosuchia qui comprenait plus tard la branche alligator.

Parvosuchus a vécu à une époque d’innovation évolutive à la suite de la pire extinction massive sur Terre il y a 252 millions d’années, avec plusieurs groupes de reptiles en compétition avant que les dinosaures ne deviennent finalement dominants. Les derniers membres des Gracilisuchidae ont incontestablement disparu environ sept millions d’années avant l’apparition des premiers dinosaures.

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(Cette histoire n’a pas été éditée par le personnel de NDTV et est générée automatiquement à partir d’un flux syndiqué.)

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Une technique spectroscopique qui identifie les molécules d’eau sur une surface révèle comment elles se relâchent après agitation

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Une technique spectroscopique qui identifie les molécules d’eau sur une surface révèle comment elles se relâchent après agitation

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Diagramme schématique du processus de relaxation vibratoire de l’étirement de OH dans l’air/eau (H2o)Interface. crédit: Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

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Diagramme schématique du processus de relaxation vibratoire de l’étirement de OH dans l’air/eau (H2o)Interface. crédit: Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

Une image plus complète de la façon dont les molécules d’eau excitées lorsqu’elles interagissent avec l’air perdent leur énergie a été révélée par les scientifiques de RIKEN dans une étude. publié Dans le magazine Communications naturelles. Ce résultat sera précieux pour mieux comprendre les processus se produisant à la surface de l’eau.

L’eau est une anomalie à bien des égards. Par exemple, ses points de congélation et d’ébullition sont beaucoup plus élevés que prévu, et il est moins dense sous forme solide (glace) que sous forme liquide.

Presque toutes les propriétés inhabituelles de l’eau proviennent des liaisons faibles qui se forment et se brisent constamment entre les molécules d’eau voisines. Ces liaisons, appelées liaisons hydrogène, surviennent parce que l’oxygène attire davantage les électrons que l’hydrogène. Ainsi, l’oxygène légèrement négatif d’une molécule est attiré vers les atomes d’hydrogène légèrement positifs des autres molécules.

Mais un petit segment de molécules d’eau – celles à la surface – subit les liaisons hydrogène différemment des autres molécules d’eau. Dans leur cas, le bras qui dépasse dans l’air ne forme pas de liaisons hydrogène.

Jusqu’à présent, personne n’était capable de comprendre comment les bras de ces molécules de surface se détendaient après avoir été étirés. En effet, il est très difficile d’isoler le signal de ces molécules.

« Nous avons une bonne connaissance du comportement des molécules d’eau dans un corps liquide, mais notre compréhension des molécules d’eau à l’interface est loin derrière », explique Tahi Tahara du laboratoire de spectroscopie moléculaire RIKEN.

Au cours de la dernière décennie, une équipe dirigée par Tahara a tenté de remédier à cette situation en développant des techniques spectroscopiques très sophistiquées pour explorer les interactions des molécules d’eau sur les surfaces.

L’équipe a maintenant développé une technique basée sur la spectroscopie infrarouge, suffisamment sensible pour détecter la façon dont les liaisons oxygène et hydrogène dans les molécules d’eau de surface se relâchent.

Grâce à cette technique, l’équipe a découvert que les liaisons oxygène et hydrogène coincées dans l’air tournent en premier sans perdre d’énergie. Ils se détendent ensuite d’une manière similaire aux molécules d’un corps liquide qui forment un réseau de liaisons hydrogène.

« En ce sens, il n’y a pas beaucoup de différence entre les molécules à l’interface et à l’intérieur du liquide après avoir interagi avec leurs voisines, car elles partagent toutes deux le même processus de relaxation », explique Tahara. « Ces résultats dressent un tableau complet de la façon dont les liaisons oxygène et hydrogène se détendent à la surface de l’eau. »

Tahara et son équipe ont désormais l’intention d’utiliser leur technique spectroscopique pour observer les réactions chimiques qui se produisent à l’interface de l’eau.

Plus d’information:
Woongmo Sung et al., Profil de relaxation vibratoire unifié de l’étirement de l’OH à l’interface air/eau, Communications naturelles (2024). est ce que je: 10.1038/s41467-024-45388-8

Informations sur les magazines :
L’intelligence artificielle de la nature


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