Un mistero che ha afflitto la scienza dei materiali per 200 anni è finalmente stato risolto. Un minerale trovato in molte formazioni rocciose antiche ha resistito ostinatamente agli sforzi degli scienziati di farlo crescere in laboratorio, anche se potevano ricreare le condizioni che si pensava si fossero formate in natura. Ora, un team ha risolto il problema, scoprendo come far crescere rapidamente i cristalli di dolomite per la prima volta.
La dolomite è un minerale così importante che c’è una intera catena montuosa che porta il suo nome. Oltre a queste vette nelle Alpi italiane, la dolomite è abbondante nelle White Cliffs of Dover, negli hoodoos dello Utah e in altre rocce risalenti a oltre 100 milioni di anni fa. In realtà rappresenta quasi il 30 percento dei minerali del suo tipo – i carbonati – nella crosta terrestre, ma è notevolmente assente nelle rocce che si sono formate più di recente.
Nonostante abbiano cercato di ricreare attentamente le sue condizioni di crescita naturali, gli scienziati non sono riusciti per due secoli a produrre cristalli di dolomite in laboratorio. Per risolvere il mistero, hanno dovuto tornare alle basi. “Se capiamo come la dolomite cresce in natura, potremmo imparare nuove strategie per promuovere la crescita dei cristalli di materiali tecnologici moderni”, ha detto l’autore corrispondente Wenhao Sun dell’Università del Michigan in una dichiarazione.
I cristalli di dolomite si formano nel corso di ere geologiche attraverso l’accumulo di strati alternati di calcio e magnesio. Tuttavia, quando c’è acqua intorno, gli atomi di calcio e magnesio possono attaccarsi casualmente al bordo di crescita del cristallo, spesso nel posto sbagliato. Questi difetti impediscono la formazione corretta degli strati alternati, motivo per cui ci vuole così tanto tempo – 10 milioni di anni – per creare un solo strato ordinato di roccia di dolomite.
Per risolvere il problema, il team ha utilizzato potenti software per simulare tutte le possibili interazioni tra gli atomi in un cristallo di dolomite in crescita. Questo ha permesso loro di formulare una teoria: la dolomite potrebbe crescere più velocemente se sottoposta a cicli in cui periodicamente c’è una concentrazione più bassa di calcio e magnesio intorno.
Per testare la teoria, il team ha ideato un ingegnoso esperimento utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione. Esponendo un piccolo cristallo di dolomite a un fascio di elettroni che divide l’acqua, hanno ottenuto la dissoluzione del cristallo. Quando il fascio è stato spento, la soluzione circostante si è corretta rapidamente verso uno stato più saturo, permettendo al cristallo di crescere. Dopo questo trattamento, il cristallo è cresciuto di circa 100 nanometri, rappresentando 300 nuovi strati di dolomite appena formati.
I risultati sono stati in linea con quanto osservato in natura, dove la dolomite si forma in luoghi con cicli di inondazioni seguiti da condizioni più secche. Risolvere il problema della dolomite non solo apre la porta all’indagine del processo geochimico che ha influenzato la formazione massiva di dolomite nel mondo naturale, ma potrebbe anche avere importanti applicazioni per la produzione di componenti vitali di prodotti come semiconduttori, pannelli solari e batterie. La teoria dimostra che è possibile far crescere materiali privi di difetti rapidamente, se periodicamente si dissolvono i difetti durante la crescita.
Links:
