La crescita del dolomite: una scoperta rivoluzionaria
Il dolomite è un minerale comune che si trova in abbondanza nelle rocce più antiche di 100 milioni di anni, ma è quasi assente nelle formazioni più giovani. Questo fenomeno, noto come “Problema del Dolomite”, ha rappresentato un mistero per la geologia per secoli. Tuttavia, un team di ricercatori dell’Università del Michigan e dell’Università di Hokkaido a Sapporo, in Giappone, ha finalmente risolto l’enigma, grazie a una nuova teoria sviluppata da simulazioni atomiche.
La teoria alla base della crescita del dolomite
Il segreto per far crescere il dolomite in laboratorio è stato quello di rimuovere i difetti nella struttura minerale durante la sua crescita. Quando i minerali si formano in acqua, gli atomi di solito si depositano ordinatamente su un bordo della superficie cristallina in crescita. Tuttavia, il bordo di crescita del dolomite è costituito da file alternate di calcio e magnesio. In acqua, calcio e magnesio si attaccano casualmente al cristallo di dolomite in crescita, spesso inserendosi nel posto sbagliato e creando difetti che impediscono la formazione di ulteriori strati di dolomite. Questo disordine rallenta la crescita del dolomite a tal punto che ci vorrebbero 10 milioni di anni per formare un solo strato di dolomite ordinato.
La soluzione ai difetti del dolomite
Fortunatamente, questi difetti non sono fissi. Poiché gli atomi disordinati sono meno stabili di quelli nella posizione corretta, sono i primi a dissolversi quando il minerale viene lavato con acqua. Sciacquare ripetutamente via questi difetti, ad esempio con pioggia o cicli di marea, consente la formazione di uno strato di dolomite in pochi anni. Nel corso del tempo geologico, possono accumularsi montagne di dolomite.
Tecniche di simulazione avanzate e applicazioni pratiche
Per simulare accuratamente la crescita del dolomite, i ricercatori hanno dovuto calcolare quanto fortemente o debolmente 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. Tali calcoli esaustivi di solito richiedono enormi quantità di potenza di calcolo, ma il software sviluppato presso il PRISMS Center dell’Università del Michigan ha offerto una scorciatoia.
Il software che ha reso possibile la simulazione
“Il nostro software calcola l’energia per alcune disposizioni atomiche, poi estrapola per prevedere le energie per altre disposizioni basate sulla simmetria della struttura cristallina”, ha detto Brian Puchala, uno dei principali sviluppatori del software e ricercatore associato presso il Dipartimento di Scienze dei Materiali e Ingegneria dell’Università del Michigan.
Questa scorciatoia ha reso fattibile simulare la crescita del dolomite su scale temporali geologiche.
Testare la teoria nella pratica
Le poche aree in cui il dolomite si forma oggi sono soggette a inondazioni intermittenti e successiva asciugatura, il che si allinea bene con la teoria di Sun e Kim. Ma tali prove da sole non erano sufficienti per essere completamente convincenti. È qui che entrano in gioco Yuki Kimura, professore di scienze dei materiali presso l’Università di Hokkaido, e Tomoya Yamazaki, ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Kimura. Hanno testato la nuova teoria con una particolarità dei microscopi elettronici a trasmissione.
Dopo aver posizionato un piccolo cristallo di dolomite in una soluzione di calcio e magnesio, Kimura e Yamazaki hanno delicatamente pulsato il fascio di elettroni 4.000 volte in due ore, dissolvendo via i difetti. Dopo le pulsazioni, si è visto che il dolomite cresceva di circa 100 nanometri, circa 250.000 volte più piccolo di un pollice. Anche se si trattava solo di 300 strati di dolomite, mai prima d’ora erano stati fatti crescere più di cinque strati di dolomite in laboratorio.
Le lezioni apprese dal Problema del 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 fare materiali senza difetti cercavano di farli crescere molto lentamente”, ha detto Sun. ”La nostra teoria mostra che è possibile far crescere materiali senza difetti rapidamente, se si dissolvono periodicamente i difetti durante la crescita”.
La ricerca è stata finanziata dalla borsa di studio PRF New Doctoral Investigator dell’American Chemical Society, dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dalla Società Giapponese per la Promozione della Scienza.