Durante 200 años, los científicos no han logrado cultivar un mineral común en el laboratorio en las condiciones que se cree que lo formaron de forma natural. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Michigan y la Universidad de Hokkaido en Sapporo, Japón, finalmente lo ha logrado gracias a una nueva teoría desarrollada a partir de simulaciones atómicas.
Su éxito resuelve un misterio geológico de larga data llamado "Problema de las Dolomitas". La dolomita, un mineral clave en las montañas Dolomitas de Italia, las Cataratas del Niágara y los Hoodoos de Utah, es muy abundante en rocas de más de 100 millones de años, pero casi ausente en formaciones más jóvenes.
"Si entendemos cómo crece la dolomita en la naturaleza, podríamos aprender nuevas estrategias para promover el crecimiento cristalino de los materiales tecnológicos modernos", dijo Wenhao Sun, profesor de Ciencia e Ingeniería de Materiales de Dow Early Career en la UM y autor correspondiente del artículo publicado. hoy en Ciencia .
El secreto para finalmente cultivar dolomita en el laboratorio fue eliminar los defectos en la estructura mineral a medida que crece. Cuando se forman minerales en el agua, los átomos generalmente se depositan limpiamente en un borde de la superficie del cristal en crecimiento. Sin embargo, el borde de crecimiento de la dolomita se compone de hileras alternas de calcio y magnesio.
En el agua, el calcio y el magnesio se adhieren aleatoriamente al cristal de dolomita en crecimiento, a menudo alojándose en el lugar equivocado y creando defectos que impiden que se formen capas adicionales de dolomita. Este desorden ralentiza el crecimiento de la dolomita a un ritmo lento, lo que significa que se necesitarían 10 millones de años para formar solo una capa de dolomita ordenada.
Afortunadamente, estos defectos no están bloqueados. Debido a que los átomos desordenados son menos estables que los átomos en la posición correcta, son los primeros en disolverse cuando el mineral se lava con agua. El lavado repetido de estos defectos (por ejemplo, con lluvia o ciclos de marea) permite que se forme una capa de dolomita en sólo cuestión de años. A lo largo del tiempo geológico, se pueden acumular montañas de dolomita.
Para simular con precisión el crecimiento de la dolomita, los investigadores necesitaban calcular con qué fuerza o flojedad se unirán los átomos a una superficie de dolomita existente. Las simulaciones más precisas requieren la energía de cada interacción entre electrones y átomos en el cristal en crecimiento. Estos cálculos exhaustivos generalmente requieren enormes cantidades de potencia informática, pero el software desarrollado en el Centro de Ciencia de Materiales de Estructura Predictiva (PRISMS) de la UM ofreció un atajo.
"Nuestro software calcula la energía de algunas disposiciones atómicas y luego las extrapola para predecir las energías de otras disposiciones basándose en la simetría de la estructura cristalina", dijo Brian Puchala, uno de los principales desarrolladores del software y científico investigador asociado en el Departamento de la UM. de Ciencia e Ingeniería de Materiales.
Ese atajo hizo posible simular el crecimiento de la dolomita en escalas de tiempo geológicas.
"Cada paso atómico normalmente requeriría más de 5.000 horas de CPU en una supercomputadora. Ahora podemos hacer el mismo cálculo en 2 milisegundos en una computadora de escritorio", dijo Joonsoo Kim, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales y primer autor del estudio. /P>
Las pocas áreas donde hoy se forma dolomita se inundan intermitentemente y luego se secan, lo que concuerda bien con la teoría de Sun y Kim. Pero esa evidencia por sí sola no fue suficiente para ser completamente convincente. Ingresan Yuki Kimura, profesor de ciencia de materiales de la Universidad de Hokkaido, y Tomoya Yamazaki, investigador postdoctoral en el laboratorio de Kimura. Probaron la nueva teoría con una peculiaridad de los microscopios electrónicos de transmisión.
"Los microscopios electrónicos normalmente utilizan haces de electrones sólo para obtener imágenes de muestras", dijo Kimura. "Sin embargo, el haz también puede dividir el agua, lo que produce ácido que puede hacer que los cristales se disuelvan. Normalmente, esto es malo para la obtención de imágenes, pero en este caso, la disolución es exactamente lo que queríamos".
Después de colocar un pequeño cristal de dolomita en una solución de calcio y magnesio, Kimura y Yamazaki pulsaron suavemente el haz de electrones 4.000 veces durante dos horas, disolviendo los defectos. Después de los pulsos, se observó que la dolomita crecía aproximadamente 100 nanómetros, unas 250.000 veces menos que una pulgada. Aunque se trataba de sólo 300 capas de dolomita, nunca antes se habían cultivado más de cinco capas de dolomita en el laboratorio.
Las lecciones aprendidas del problema de las Dolomitas pueden ayudar a los ingenieros a fabricar materiales de mayor calidad para semiconductores, paneles solares, baterías y otras tecnologías.
"En el pasado, los productores de cristales que querían fabricar materiales sin defectos intentaban hacerlos crecer muy lentamente", dijo Sun. "Nuestra teoría muestra que se pueden cultivar materiales sin defectos rápidamente si se disuelven periódicamente los defectos durante el crecimiento".
Más información: Joonsoo Kim et al, La disolución permite el crecimiento de cristales de dolomita cerca de las condiciones ambientales, Ciencia (2023). DOI:10.1126/science.adi3690. www.science.org/doi/10.1126/science.adi3690
Juan Manuel García-Ruiz, Una solución fluctuante al problema de la dolomita, Ciencia (2023). DOI:10.1126/science.adl1734, www.science.org/doi/10.1126/science.adl1734
Información de la revista: Ciencia
Proporcionado por la Universidad de Michigan
