«El problema de las Dolomitas»: los científicos resuelven un misterio geológico de 200 años

Para crear montañas de dolomita, un mineral común, es necesario derretirlo periódicamente. Este concepto aparentemente contradictorio puede ayudar a que los nuevos productos sean impecables. Semiconductores Y más.

Durante dos siglos, los científicos no han logrado producir un mineral común en el laboratorio en condiciones que se cree que se formaron naturalmente. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Michigan y Universidad de Hokkaido En Sapporo, Japón finalmente logró precisamente eso, gracias a una nueva teoría desarrollada a través de simulaciones atómicas.

Su éxito resuelve un misterio geológico de larga data llamado «Problema de las Dolomitas». La dolomita, un mineral importante que se encuentra en las montañas Dolomitas en Italia, las Cataratas del Niágara y el Hoodoo en Utah, abunda en las rocas. Más de 100 millones de añosSin embargo, está casi ausente en formaciones jóvenes.

Wenhao Sun, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales de Dow en la Universidad de Michigan, y Junsu Kim, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales del grupo de investigación del profesor Sun, muestran rocas de dolomita de la colección de su laboratorio. Los dos científicos han desarrollado una teoría que finalmente podría explicar un misterio de dos siglos de antigüedad sobre la abundancia de dolomita en la Tierra. Crédito: Marcin Szczybanski, narrador multimedia sénior, Michigan Engineering.

La importancia de comprender el crecimiento de la dolomita.

«Si entendemos cómo crece la dolomita en la naturaleza, podemos aprender nuevas estrategias para mejorar el crecimiento cristalino de los materiales tecnológicos modernos», dijo recientemente Wenhao Sun, profesor de ciencia e ingeniería de materiales en la Universidad Dow y autor correspondiente del artículo. Publicado en Ciencias.

El secreto para finalmente cultivar dolomita en el laboratorio fue eliminar los defectos en la estructura mineral a medida que crecía. Cuando se forman minerales en el agua, los átomos suelen depositarse ordenadamente en el borde de la superficie cristalina en crecimiento. Sin embargo, el borde de crecimiento de la dolomita está formado por 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 asentándose en el lugar equivocado y creando defectos que impiden que se formen capas adicionales de dolomita. Esta perturbación ralentiza el crecimiento de la dolomita, lo que significa que se necesitarían 10 millones de años para formar solo una capa de dolomita ordenada.

Estructura de borde de cristal de dolomita. Filas de magnesio (bolas anaranjadas) se alternan con filas de calcio (bolas azules), intercaladas con carbonatos (estructuras negras). Las flechas rosadas muestran las direcciones de crecimiento de los cristales. El calcio y el magnesio a menudo se unen incorrectamente al borde de crecimiento, deteniendo el crecimiento de la dolomita. Fuente de la imagen: Junsu Kim, estudiante de doctorado en Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de Michigan.

Afortunadamente, estos defectos no se solucionan en el lugar. Debido a que los átomos desordenados son menos estables que los átomos en la posición correcta, son los primeros en disolverse cuando el metal se lava con agua. La eliminación repetida de estas fallas (por ejemplo, con lluvia o ciclos de mareas) permite que la capa de dolomita se forme en sólo cuestión de años. A lo largo del tiempo geológico, las montañas de dolomías pueden acumularse.

Técnicas avanzadas de simulación.

Para simular con precisión el crecimiento de la dolomita, los investigadores necesitaban calcular qué tan fuerte o débilmente estaban adheridos los átomos a la superficie de la dolomita existente. Las simulaciones más precisas requieren la energía de cada interacción entre electrones y átomos en el cristal en crecimiento. Estos cálculos exhaustivos suelen requerir enormes cantidades de potencia informática, pero el software desarrollado en el Centro de Ciencia Predictiva de Materiales Estructurales (PRISMS) de la Universidad de Maryland ha proporcionado 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 Buchala, uno de los principales desarrolladores del programa y científico investigador asociado de la Universidad. del departamento de Maryland. Ciencia e Ingeniería de los Materiales.

Este atajo permitió simular el crecimiento de la dolomita en escalas de tiempo geológicas.

La dolomita es un mineral tan común en rocas antiguas que forma montañas como la cadena montañosa del mismo nombre en el norte de Italia. Pero la dolomita es rara en rocas más jóvenes y no se puede producir en un laboratorio en las condiciones en las que se formó naturalmente. Una nueva teoría ha ayudado a los científicos a cultivar el mineral en el laboratorio a temperatura y presión normales por primera vez, y podría ayudar a explicar la escasez de dolomita en rocas más jóvenes. Fuente de la imagen: Francesca.z73 vía Wikimedia Commons.

«Cada paso atómico normalmente requiere 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 Junsu Kim, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales y primer autor del estudio.

Aplicación práctica y pruebas teóricas.

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 era 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 utilizando microscopios electrónicos de transmisión.

«Los microscopios electrónicos normalmente sólo utilizan haces de electrones para obtener imágenes de muestras», dijo Kimura. “Sin embargo, el rayo también puede dividir el agua, haciendo… agrio Lo que puede hacer que los cristales se disuelvan. Esto suele ser malo para la fotografía, pero en este caso, la descomposición 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, eliminando los defectos. Después de los pulsos, se vio que la dolomita crecía unos 100 nanómetros, unas 250.000 veces más pequeña que una pulgada. Aunque se trataba de sólo 300 capas de dolomita, nunca antes se habían cultivado en un laboratorio más de cinco capas de dolomita.

Las lecciones aprendidas del problema de la dolomita podrían ayudar a los ingenieros a fabricar materiales de mayor calidad para semiconductores, paneles solares, baterías y otras tecnologías.

«En el pasado, los cultivadores de cristales que querían fabricar materiales impecables intentaban hacerlos crecer muy lentamente», dijo Sun. «Nuestra teoría muestra que se pueden cultivar rápidamente materiales libres de defectos si se disuelven los defectos periódicamente durante el crecimiento».

Referencia: “La fusión permite el crecimiento de cristales de dolomita en condiciones cercanas a la ambiental” por Junsu Kim, Yuki Kimura, Brian Buchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker y Wenhao Sun, 23 de noviembre de 2023. Ciencias.
doi: 10.1126/ciencia.adi3690

La investigación fue financiada por una Beca para Nuevos Investigadores Doctorales de la Sociedad Química Estadounidense (PRF), el Departamento de Energía de EE. UU. y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia.