Kiedy kryształ wygląda jak organizm: jak wzrastają dendryty mineralne

Badacze z udziałem zespołu z Wydziału Fizyki UW odkryli, że wzrost takich struktur mineralnych następuje 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, wiedza ta może być wykorzystana również w przemyśle, na przykład w produkcji syntetycznych materiałów o nowych właściwościach" - komentują przedstawiciele wydziału w komunikacie.

Gdy myślimy o kryształach, często wyobrażamy sobie idealnie ukształtowane, symetryczne struktury. W naturze zdarzają się jednak przypadki, w których kryształy przyjmują bardziej skomplikowane, zaskakujące kształty. 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. Świeżo opublikowana w prestiżowym piśmie „Geology” (doi: 10.1130/G51127.1) praca międzynarodowego zespołu badaczy, m.in. z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego, Uniwersytetu Wiedeńskiego oraz Uniwersytetu Edynburskiego rzuca nowe światło na wzrost trójwymiarowych dendrytów. Przedmiotem opisanych badań były naturalne dendryty znalezione w zeolitowych tufach wulkanicznych.

"Aby dokładnie opisać proces wzrostu tych struktur, połączyliśmy dane uzyskane dzięki mikroskopii elektronowej i rentgenowskiej o wysokiej rozdzielczości z modelowaniem numerycznym" – wyjaśnia cytowany w informacji prasowej Dawid Woś, student Wydziału Fizyki Uniwersytetu Warszawskiego 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.

Badacze zwracają również 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. Co ciekawe, 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.

Nauka w Polsce

lt/ agt/