Per oltre due secoli, gli scienziati hanno cercato, senza successo, di coltivare la dolomite in laboratorio in condizioni che si ritenevano simili a quelle della sua formazione in natura. Un recente studio ha finalmente cambiato le cose. I ricercatori dell’Università del Michigan e dell’Università di Hokkaido a Sapporo, in Giappone, sono riusciti nell’impresa sviluppando una nuova teoria basata su dettagliate simulazioni atomiche.
Il loro lavoro risolve un annoso enigma geologico noto come il “problema della dolomite”. La dolomite è un minerale molto diffuso, presente in luoghi iconici come le Dolomiti in Italia, le Cascate del Niagara e gli Hoodoos dello Utah. È abbondante nelle rocce più antiche di 100 milioni di anni, eppure è raro trovarla in ambienti più recenti.
“Se capissimo come cresce la dolomite in natura, potremmo apprendere nuove strategie per promuovere la crescita cristallina dei moderni materiali tecnologici”, ha affermato Wenhao Sun, professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso l’Università del Michigan e autore corrispondente dell’articolo pubblicato su Science.
Perché la crescita della dolomite è così lenta?
La svolta decisiva è arrivata dalla comprensione di cosa disturba la dolomite durante la sua formazione. In acqua, i minerali crescono tipicamente con gli atomi che si attaccano in modo ordinato alla superficie di un cristallo. La dolomite si comporta diversamente perché la sua struttura è composta da strati alternati di calcio e magnesio.
Man mano che il cristallo cresce, questi due elementi spesso si uniscono in modo casuale anziché allinearsi correttamente. Ciò crea difetti strutturali che bloccano l’ulteriore crescita. Il risultato è un processo estremamente lento. A questa velocità, la formazione di un singolo strato ben ordinato di dolomite potrebbe richiedere fino a 10 milioni di anni.
Il meccanismo di ripristino integrato della natura
I ricercatori si sono resi conto che questi difetti non sono permanenti. Gli atomi fuori posto sono meno stabili e più inclini a dissolversi se esposti all’acqua. Negli ambienti naturali, cicli come le precipitazioni o le maree lavano via ripetutamente queste aree difettose.
Nel corso del tempo, questo processo ripulisce la superficie, permettendo la formazione di nuovi strati disposti in modo ordinato. Invece di impiegare milioni di anni per un singolo strato, la dolomite può accumularsi gradualmente in intervalli molto più brevi. Su lunghi periodi geologici, questo porta alla formazione dei grandi depositi che si osservano nelle antiche formazioni rocciose.
Simulazione della crescita dei cristalli a livello atomico
Per testare la loro idea, il team ha dovuto modellare il modo in cui gli atomi interagiscono durante la formazione della dolomite. Ciò richiede il calcolo dell’energia coinvolta nelle innumerevoli interazioni tra elettroni e atomi, un’operazione che solitamente richiede una potenza di calcolo estremamente elevata.
I ricercatori del Centro PRISMS (Predictive Structure Materials Science) dell’Università del Michigan hanno sviluppato un software che semplifica questa sfida. Il software calcola l’energia per determinate configurazioni atomiche e poi prevede quelle di altre configurazioni basandosi sulla simmetria della struttura cristallina.
“Il nostro software calcola l’energia per alcune configurazioni atomiche, quindi estrapola per prevedere le energie di altre configurazioni in base alla simmetria della struttura cristallina”, ha affermato Brian Puchala, uno dei principali sviluppatori del software e ricercatore associato presso il Dipartimento di Scienza e Ingegneria dei Materiali dell’Università del Montana.
Questo approccio ha permesso di simulare la crescita della dolomite su scale temporali che rispecchiano i processi geologici reali.
“Ogni singolo passaggio atomico richiederebbe normalmente oltre 5.000 ore di CPU su un supercomputer. Ora, possiamo eseguire lo stesso calcolo in 2 millisecondi su un computer desktop”, ha affermato Joonsoo Kim, dottorando in scienza e ingegneria dei materiali e primo autore dello studio.
L’esperimento di laboratorio conferma la teoria
Gli ambienti naturali in cui la dolomite si forma ancora oggi sono spesso soggetti a cicli di inondazioni seguiti da periodi di siccità, il che supporta la teoria del team. Tuttavia, erano ancora necessarie prove sperimentali dirette.
Queste prove provengono da Yuki Kimura, professore di scienza dei materiali all’Università di Hokkaido, e da Tomoya Yamazaki, ricercatore post-dottorato nel suo laboratorio. Hanno utilizzato una proprietà insolita dei microscopi elettronici a trasmissione per ricreare il processo.
“I microscopi elettronici di solito usano fasci di elettroni solo per visualizzare i campioni”, ha spiegato Kimura. “Tuttavia, il fascio può anche scindere l’acqua, producendo acidi che possono causare la dissoluzione dei cristalli. Solitamente questo è un problema per l’imaging, ma in questo caso la dissoluzione era esattamente ciò che volevamo.”
Il team ha immerso un piccolo cristallo di dolomite in una soluzione contenente calcio e magnesio. Successivamente, ha irradiato il campione con un fascio di elettroni per 4.000 volte nell’arco di due ore, dissolvendo ripetutamente i difetti man mano che si formavano.
Dopo questo processo, il cristallo è cresciuto fino a raggiungere circa 100 nanometri, ovvero circa 250.000 volte più piccolo di un pollice. Tale crescita rappresentava circa 300 strati di dolomite. Esperimenti precedenti non avevano mai prodotto più di cinque strati.
Implicazioni per la tecnologia moderna
Il libro “Solving the Dolomite Problem” va oltre la semplice spiegazione di un mistero geologico. Offre inoltre spunti su come controllare la crescita dei cristalli nei materiali avanzati utilizzati nella tecnologia moderna.
“In passato, i coltivatori di cristalli che volevano produrre materiali privi di difetti cercavano di farli crescere molto lentamente”, ha affermato Sun. “La nostra teoria dimostra che è possibile far crescere materiali privi di difetti rapidamente, se si dissolvono periodicamente i difetti durante il processo di crescita.”
Questo concetto potrebbe contribuire a migliorare la produzione di semiconduttori, pannelli solari, batterie e altre tecnologie ad alte prestazioni.
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.
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