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 cristalli di dolomite per la prima volta.
La dolomite è un minerale così importante che ci sono intere catene montuose, come le White Cliffs of Dover, gli hoodoos dello Utah e altre rocce risalenti a oltre 100 milioni di anni. In realtà rappresenta quasi il 30 percento dei minerali del suo tipo – carbonati – nella crosta terrestre, ma è notevolmente assente nelle rocce che si sono formate più di recente. catena montuosa che porta il suo nome. Oltre a queste vette nelle Alpi italiane, la dolomite è abbondante nel
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 cristallina 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 grazie all’accumulo di strati alternati di calcio e magnesio. Sembra abbastanza semplice, sebbene richieda tempo, ma c’è un problema. 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.
Dato che Sun e il team non avevano assolutamente 10 milioni di anni da aspettare, hanno utilizzato un potente software per simulare tutte le possibili interazioni tra gli atomi in un cristallo di dolomite in crescita.
“Ogni passo atomico richiederebbe normalmente oltre 5.000 ore di CPU su un supercomputer. Ora, possiamo fare lo stesso calcolo in 2 millisecondi su un desktop”, ha detto il primo autore Joonsoo Kim.
Il team ha formulato una teoria: forse la dolomite crescerà più velocemente se sottoposta a cicli in cui periodicamente c’è una concentrazione più bassa di calcio e magnesio intorno. La maggior parte dei cristalli crescerà bene in una soluzione sovrasatura, cioè dove i loro componenti atomici sono presenti a livelli molto alti. Nel caso della dolomite, però, questo porta solo a ulteriori difetti e rallenta tutto.
Per testare la teoria, il team ha consultato collaboratori dell’Università di Hokkaido e ha ideato un ingegnoso esperimento utilizzando un microscopio elettronico a trasmissione.
“I microscopi elettronici di solito utilizzano fasci di elettroni solo per immagini campioni”, ha spiegato Yuki Kimura, professore di scienza dei materiali all’Università di Hokkaido. “Tuttavia, il fascio può anche dividere l’acqua, producendo acido che può far dissolvere i cristalli. Di solito questo è negativo per l’immagine, ma in questo caso, la dissoluzione è esattamente ciò che volevamo.”
Un piccolo cristallo di dolomite in una soluzione di calcio e magnesio è stato esposto al fascio di elettroni, che è stato pulsato 4.000 volte nel corso di due ore, per iniziare a dissolvere il cristallo. Quando il fascio viene spento, la soluzione circostante si corregge rapidamente verso uno stato più saturo.
Ha funzionato alla grande. Dopo questo trattamento, il team è stato entusiasta di osservare che il cristallo è cresciuto di circa 100 nanometri. Potrebbe non sembrare molto, ma rappresenta 300 nuovi strati di dolomite appena formati. Il massimo che era stato raggiunto in laboratorio prima erano cinque.
I risultati sono anche in linea con quanto osservato in natura. Ci sono solo poche località in cui si forma la dolomite oggi, ma sono tutti luoghi con cicli di inondazioni seguiti da condizioni più secche.
Risolvere il problema della dolomite è un grande traguardo. “Questa scoperta apre la porta all’indagine del processo geochimico che ha influenzato la formazione massiva di dolomite nel mondo naturale”, ha scritto Juan Manuel García-Ruiz, che non era direttamente coinvolto nel lavoro, in una Prospettiva che accompagna lo studio.
Non solo, imparare come far crescere cristalli privi di difetti rapidamente potrebbe avere importanti applicazioni per la produzione di molti componenti vitali di prodotti come semiconduttori, pannelli solari e batterie.
“In passato, i coltivatori di cristalli che volevano produrre materiali senza difetti cercavano di farli crescere molto lentamente”, ha detto Sun. “La nostra teoria mostra che è possibile far crescere materiali privi di difetti rapidamente, se si dissolvono periodicamente i difetti durante la crescita.”
Lo studio è stato pubblicato sulla rivista Scienza.
Una versione precedente di questo articolo è stata pubblicata nel novembre 2023.
