Per 200 anni, gli scienziati non sono riusciti a coltivare un minerale comune in laboratorio nelle condizioni che si ritiene lo abbiano formato naturalmente. Ora, un team di ricercatori dell'Università del Michigan e dell'Università di Hokkaido a Sapporo, in Giappone, è finalmente riuscito nell'intento, grazie a una nuova teoria sviluppata da simulazioni atomiche.
Il loro successo risolve un mistero geologico di vecchia data chiamato “problema delle Dolomiti”. La dolomite, un minerale chiave nelle montagne dolomitiche italiane, nelle cascate del Niagara e negli Hoodoos dello Utah, è molto abbondante nelle rocce più vecchie di 100 milioni di anni, ma quasi assente nelle formazioni più giovani.
"Se comprendiamo come la dolomite cresce in natura, potremmo apprendere nuove strategie per promuovere la crescita dei cristalli dei moderni materiali tecnologici", ha affermato Wenhao Sun, professore Dow Early Career di scienza e ingegneria dei materiali presso la UM e autore corrispondente dell'articolo pubblicato. oggi nella scienza .
Il segreto per coltivare finalmente la dolomite in laboratorio è stato rimuovere i difetti nella struttura minerale durante la crescita. Quando i minerali si formano nell’acqua, gli atomi solitamente si depositano ordinatamente su un bordo della superficie cristallina in crescita. Tuttavia, il margine di crescita della dolomite è costituito da file alternate di calcio e magnesio.
Nell'acqua, calcio e magnesio si attaccano in modo casuale al cristallo di dolomite in crescita, spesso alloggiandosi nel punto sbagliato e creando difetti che impediscono la formazione di ulteriori strati di dolomite. Questo disordine rallenta la crescita della dolomite a passo d'uomo, il che significa che occorrerebbero 10 milioni di anni per creare un solo strato di dolomite ordinata.
Fortunatamente, questi difetti non sono bloccati sul posto. Poiché gli atomi disordinati sono meno stabili degli atomi nella posizione corretta, sono i primi a dissolversi quando il minerale viene lavato con acqua. Il lavaggio ripetuto di questi difetti, ad esempio con la pioggia o i cicli delle maree, consente la formazione di uno strato di dolomite nel giro di pochi anni. Nel corso del tempo geologico, si possono accumulare montagne di dolomite.
Per simulare accuratamente la crescita della dolomite, i ricercatori dovevano calcolare con quanta forza o debolezza gli atomi si attaccheranno a una superficie di dolomite esistente. Le simulazioni più accurate richiedono l'energia di ogni singola interazione tra elettroni e atomi nel cristallo in crescita. Calcoli così esaustivi di solito richiedono enormi quantità di potenza di calcolo, ma il software sviluppato presso il Centro Predictive Structure Materials Science (PRISMS) della UM ha offerto una scorciatoia.
"Il nostro software calcola l'energia per alcune disposizioni atomiche, quindi estrapola per prevedere le energie per altre disposizioni basate sulla simmetria della struttura cristallina", ha affermato Brian Puchala, uno degli sviluppatori principali del software e ricercatore associato presso il Dipartimento della UM. di Scienza e Ingegneria dei Materiali.
Questa scorciatoia ha reso possibile simulare la crescita della dolomite su scale temporali geologiche.
"Ogni passo atomico richiederebbe normalmente più di 5.000 ore di CPU su un supercomputer. Ora possiamo fare lo stesso calcolo in 2 millisecondi su un desktop", ha affermato Joonsoo Kim, studente di dottorato in scienza e ingegneria dei materiali e primo autore dello studio. /P>
Le poche aree in cui oggi si forma la dolomite si allagano in modo intermittente e successivamente si seccano, il che si allinea bene con la teoria di Sun e Kim. Ma tali prove da sole non erano sufficienti per essere pienamente convincenti. Entrano Yuki Kimura, un professore di scienza dei materiali dell'Università di Hokkaido, e Tomoya Yamazaki, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Kimura. Hanno testato la nuova teoria con l'uso di microscopi elettronici a trasmissione.
"I microscopi elettronici di solito utilizzano fasci di elettroni solo per visualizzare i campioni", ha detto Kimura. "Tuttavia, il raggio può anche dividere l'acqua, producendo un acido che può causare la dissoluzione dei cristalli. Di solito, questo è dannoso per l'imaging, ma in questo caso la dissoluzione è esattamente ciò che volevamo."
Dopo aver collocato un minuscolo cristallo di dolomite in una soluzione di calcio e magnesio, Kimura e Yamazaki hanno fatto pulsare delicatamente il fascio di elettroni 4.000 volte nell'arco di due ore, dissolvendo i difetti. Dopo gli impulsi, si è visto che la dolomite cresceva di circa 100 nanometri, circa 250.000 volte più piccola di un pollice. Sebbene si trattasse di soli 300 strati di dolomite, prima d'ora in laboratorio non erano mai stati coltivati più di cinque strati di dolomite.
Le lezioni apprese dal problema delle dolomite possono aiutare gli ingegneri a produrre materiali di qualità superiore per semiconduttori, pannelli solari, batterie e altre tecnologie.
"In passato, i coltivatori di cristalli che volevano produrre materiali senza difetti provavano a coltivarli molto lentamente", ha detto Sun. "La nostra teoria mostra che è possibile coltivare rapidamente materiali privi di difetti, eliminando periodicamente i difetti durante la crescita."
Ulteriori informazioni: Joonsoo Kim et al, La dissoluzione consente la crescita dei cristalli di dolomite in prossimità delle condizioni ambientali, Scienza (2023). DOI:10.1126/science.adi3690. www.science.org/doi/10.1126/science.adi3690
Juan Manuel García-Ruiz, Una soluzione fluttuante al problema della dolomite, Scienza (2023). DOI:10.1126/science.adl1734, www.science.org/doi/10.1126/science.adl1734
Informazioni sul giornale: Scienza
Fornito dall'Università del Michigan
