Międzynarodowy zespół badaczy z udziałem naukowców z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego opisał proces wzrostu trójwymiarowych dendrytów manganowych. Wiedza ta może być wykorzystana w przemyśle, np. w produkcji syntetycznych materiałów o nowych właściwościach. Wyniki badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Geology”.

Międzynarodowy zespół z udziałem badaczy m.in. z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Wiedeńskiego oraz Uniwersytetu Edynburskiego opisał proces wzrostu trójwymiarowych dendrytów manganowych. Badacze odkryli, że następuje on poprzez akrecję nanocząstek tlenków manganu. Zrozumienie dynamiki wzrostu trójwymiarowych dendrytów mineralnych jest ważne dla różnych dziedzin nauki – fizyki, geologii, nauk o materiałach, a nawet badań środowisk pozaziemskich. Naukowcy nie tylko zyskują cenny wgląd w historię skał i minerałów, ale wiedza ta może być wykorzystana również w przemyśle, np. w produkcji syntetycznych materiałów o nowych właściwościach.

Dendryty mineralne

Nowe badania nad dynamiką wzrostu trójwymiarowych dendrytów mineralnych pozwoliły poznać proces ich powstawania i zapisaną w nich historię geologiczną. W przeciwieństwie do metalicznych lub krystalicznych dendrytów powstających z przechłodzonych stopów dendryty mineralne są rezultatem niestabilnych procesów wzrostu w środowisku wodnym, napędzanych ruchem płynów i gradientami stężeń chemicznych. Manganowe i żelaziste dendryty często spotyka się na powierzchniach szczelin skalnych. Jednak procesy wzrostu trójwymiarowych dendrytów nie były do tej pory w pełni poznane. Wyniki przeprowadzonych badań rzucają nowe światło na wzrost tych struktur.

– Aby dokładnie opisać proces wzrostu trójwymiarowych dendrytów, połączyliśmy dane uzyskane dzięki mikroskopii elektronowej i rentgenowskiej o wysokiej rozdzielczości z modelowaniem numerycznym – wyjaśnia Dawid Woś, student Wydziału Fizyki UW i twórca modelu numerycznego wykorzystanego w badaniu.

Badacze odkryli, że wzrost trójwymiarowych dendrytów manganowych następuje poprzez akrecję nanocząstek tlenków manganu.

– Nanocząstki te powstają, gdy bogate w mangan płyny mieszają się z nasyconymi tlenem wodami podziemnymi, co prowadzi do rozwoju złożonych struktur dendrytycznych. Geometria powstających w ten sposób dendrytów zależy od stężeń jonów, objętości nasyconego jonami manganu płynu, który infiltruje skały, oraz liczby takich infiltracji, co sprawia, że trójwymiarowe dendryty stają się swego rodzaju kroniką przeszłych warunków środowiskowych – tłumaczy dr Zhaoliang Hou z Wydziału Geologii Uniwersytetu Wiedeńskiego, główny autor publikacji.

Nieklasyczna ścieżka krystalizacji

Badacze zwracają uwagę na nieklasyczną ścieżkę krystalizacji, w której wzrost dendrytów następuje nie w wyniku bezpośredniej krystalizacji tlenku manganu na ich powierzchni, ale poprzez formowanie, dyfuzję i agregację nanocząstek. Podobną dynamikę wzrostu mają dendryty metali szlachetnych w żyłach złoto- i srebronośnych.

– Badania nad dendrytami odsłaniają fascynujący świat nieklasycznych ścieżek krystalizacji i historii zapisanej w strukturach geologicznych. Dzięki połączeniu zaawansowanych technik obrazowania i modelowania numerycznego dokonaliśmy znaczącego postępu w odkrywaniu tajemnic tych formacji mineralnych. W miarę zagłębiania się w sekrety wzrostu kryształów otwieramy drzwi do lepszego zrozumienia historii Ziemi i fascynujących mechanizmów tworzenia struktur w przyrodzie – zauważa prof. Piotr Szymczak z Wydziału Fizyki UW.