Finalmente se ha resuelto un misterio que ha perseguido a la ciencia de los materiales durante 200 años. El mineral que se encuentra en muchas formaciones rocosas antiguas ha resistido fuertemente los esfuerzos de los científicos por cultivarlo en el laboratorio, aunque han podido recrear las condiciones que creen que lo formaron en la naturaleza. Ahora, un equipo resolvió el problema y descubrió cómo hacer crecer cristales de dolomita rápidamente por primera vez.
La dolomita es un mineral muy importante, hay de todo. cadena montañosa Lleva su nombre. Además de estos picos en los Alpes italianos, la dolomita abunda en los Acantilados Blancos de Dover, los Hoods de Utah y otras rocas que datan de más de 100 millones de años. En realidad, representa aproximadamente el 30% de los minerales de su tipo, los carbonatos, en la corteza terrestre, pero está notablemente ausente en las rocas formadas más recientemente.
A pesar de intentar cuidadosamente recrear sus condiciones naturales de crecimiento, los científicos han fracasado durante dos siglos en producir cristales de dolomita en el laboratorio. Para resolver el rompecabezas, tuvieron que volver a lo básico.
«Si entendemos cómo crece la dolomita en la naturaleza, podemos aprender nuevas estrategias para mejorar el crecimiento de los cristales de los materiales tecnológicos modernos», dijo el autor correspondiente del estudio, Wenhao Sun, de la Universidad de Michigan. declaración.
El profesor Wenhao Sun muestra rocas dolomitas de su colección personal.
Crédito de la imagen: Marcin Szczybanski, narrador multimedia sénior, Michigan Engineering
Los cristales de dolomita se forman a lo largo de los tiempos geológicos mediante la acumulación de capas alternas de calcio y magnesio. Suena bastante simple, aunque requiere mucho tiempo, pero tiene un inconveniente. Cuando hay agua, los átomos de calcio y magnesio pueden adherirse aleatoriamente al borde del crecimiento del cristal, a menudo en el lugar equivocado. Estas fallas impiden que se formen adecuadamente capas alternas, razón por la cual se necesita tanto tiempo (10 millones de años) para crear una capa ordenada de roca dolomita.
Como Sun y el equipo no tuvieron que esperar 10 millones de años, recurrieron a un potente software para simular todas las interacciones posibles que ocurren entre los átomos en un cristal de dolomita en crecimiento.
«Cada paso atómico normalmente requiere más de 5.000 horas de CPU en una supercomputadora. Ahora, podemos realizar el mismo cálculo en 2 milisegundos en una computadora de escritorio», dijo el primer autor Junsu Kim.
El equipo aterrizó en la teoría. La dolomita puede crecer más rápido si se la somete a ciclos en los que hay una menor concentración de calcio y magnesio de forma regular. La mayoría de los cristales crecen bien en soluciones sobresaturadas, donde sus componentes atómicos están presentes en niveles muy altos. En cuanto a la dolomita, esto sólo provoca más defectos y ralentiza todo.
Para probar la teoría, el equipo consultó con colaboradores de la Universidad de Hokkaido y diseñó un experimento ingenioso utilizando microscopía electrónica de transmisión.
«Los microscopios electrónicos normalmente sólo utilizan haces de electrones para obtener imágenes de muestras», explicó Yuki Kimura, profesor de ciencia de materiales en la Universidad de Hokkaido. «Sin embargo, el haz también puede dividir el agua, produciendo 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».
Un pequeño cristal de dolomita en una solución de calcio y magnesio fue expuesto a un haz de electrones, que fue pulsado 4.000 veces en el transcurso de dos horas, para comenzar a disolver el cristal. Cuando se apaga el haz, la solución circundante se corrige rápidamente a un estado más saturado.
Sólo una pequeña cantidad (unas 2 milmillonésimas de litro) de la solución de calcio y magnesio se añade al portamuestras del microscopio electrónico de transmisión (en la foto de fondo).
Crédito de la imagen: Wenhao Sun, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de Dow Early Career, Universidad de Michigan
Esto funciona como magia. Después de este tratamiento, el equipo quedó encantado al notar que el cristal había crecido aproximadamente 100 nanómetros. Puede que esto no parezca mucho, pero representa 300 capas de dolomita recién formadas. Lo máximo que se había logrado antes en el laboratorio era cinco.
Los resultados también son consistentes con lo observado en la naturaleza. Sólo hay unos pocos lugares donde se forma dolomita hoy en día, pero todos son lugares con ciclos de inundaciones seguidos de condiciones más secas.
Resolver el problema de la dolomita es un logro importante. «Este descubrimiento abre la puerta al estudio del proceso geoquímico que influyó en la formación de dolomitas masivas en el mundo natural», escribió en un artículo Juan Manuel García Ruiz, que no participó directamente en el trabajo. Punto de vista acompañando el estudio.
No sólo eso, sino que aprender cómo cultivar rápidamente cristales libres de defectos podría tener aplicaciones importantes para la fabricación de muchos componentes vitales de productos como semiconductores, paneles solares y baterías.
«En el pasado, los cultivadores de cristales que querían crear materiales impecables intentaban cultivarlos 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».
El estudio se publica en Ciencias.
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