El profesor Wenhao Sun muestra dolomita de su colección personal de piedras. Sun estudia el crecimiento cristalino de los minerales desde la perspectiva de la ciencia de los materiales. Al comprender cómo se unen los átomos para formar minerales naturales, cree que podemos revelar mecanismos fundamentales del crecimiento de los cristales, que pueden usarse para producir materiales funcionales de manera más rápida y eficiente. Crédito: Marcin Szczepanski, narrador multimedia principal, Michigan Engineering.

Para crear montañas de dolomita, un mineral común, hay que disolverlo periódicamente. Este concepto aparentemente paradójico podría ayudar a crear nuevas soluciones libres de defectos. semiconductores y más.

Durante dos siglos, los científicos no han podido cultivar un mineral común en el laboratorio en condiciones que se cree que se formaron de forma natural. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Michigan y Universidad de Hokkaido En Sapporo, Japón, finalmente lo lograron, gracias a una nueva teoría desarrollada a partir de simulaciones atómicas.

Su éxito resuelve un misterio geológico de larga data llamado el «Problema de las Dolomitas». La dolomita, un mineral esencial en las montañas Dolomitas de Italia, las Cataratas del Niágara y los Hoodoos de Utah, es muy abundante en las rocas. más de 100 millones de añospero casi ausente en formaciones más jóvenes.

Wenhao Sun, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales de Dow Early Career en la Universidad de Michigan, y Joonsoo Kim, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales del grupo de investigación del profesor Sun, muestran rocas de dolomita de su colección de laboratorio. Los dos científicos desarrollaron una teoría que finalmente podría explicar un enigma de dos siglos de antigüedad en torno a la abundancia de dolomita en la Tierra. Crédito: Marcin Szczepanski, narrador multimedia principal, Michigan Engineering.

La importancia de comprender el crecimiento de los Dolomitas

«Si entendemos cómo crece la dolomita en la naturaleza, podemos aprender nuevas estrategias para promover el crecimiento de cristales a partir de materiales tecnológicos modernos», dijo recientemente Wenhao Sun, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de Dow Early Career en la UM y autor correspondiente del artículo. . publicado en Ciencia.

El secreto para finalmente cultivar dolomita en el laboratorio fue eliminar los defectos en la estructura del mineral a medida que crece. Cuando se forman minerales en agua, los átomos a menudo se asientan limpiamente en los bordes de la superficie del cristal en crecimiento. Sin embargo, la superficie creciente de la dolomita está formada 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 alojándose en el lugar equivocado y creando defectos que impiden que se formen capas adicionales de dolomita. Esta perturbación frena el crecimiento de la dolomita, lo que significa que se necesitarían 10 millones de años para formar solo una capa de dolomita ordenada.

La estructura de un borde de cristal de dolomita. Filas de magnesio (esferas anaranjadas) se alternan con filas de calcio (esferas azules) y se intercalan con carbonato (estructuras negras). Las flechas rosadas muestran las direcciones de crecimiento de los cristales. El calcio y el magnesio a menudo se adhieren incorrectamente al borde de crecimiento, lo que impide que la dolomita crezca. Crédito: Joonsoo Kim, estudiante de doctorado, ciencia e ingeniería de materiales, Universidad de Michigan.

Afortunadamente, estos defectos no se bloquean. Debido a que los átomos desordenados son menos estables que los átomos en la posición correcta, son los primeros en disolverse cuando el mineral se lava con agua. La eliminación repetida de estos defectos (por ejemplo, con la lluvia o los ciclos de las mareas) permite que se forme una capa de dolomita en tan solo unos pocos años. A lo largo del tiempo geológico, se pueden acumular montañas de dolomita.

Técnicas avanzadas de simulación

Para simular con precisión el crecimiento de la dolomita, los investigadores necesitaban calcular qué tan apretados o flojos se unirán los átomos a una superficie de dolomita existente. Las simulaciones más precisas requieren la energía de cada interacción entre electrones y átomos en el cristal en crecimiento. Estos cálculos exhaustivos a menudo requieren grandes cantidades de potencia informática, pero el software desarrollado en el Centro de Ciencia de Materiales de Estructura Predictiva (PRISMS) de la UM ofreció 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 Puchala, uno de los principales desarrolladores del software e investigador asociado en el Departamento de la UM. de Ciencia e Ingeniería de Materiales.

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

La dolomita es un mineral tan común en las rocas antiguas que forma montañas como esta cadena montañosa del mismo nombre en el norte de Italia. Pero la dolomita es rara en rocas más jóvenes y no podría producirse 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 por primera vez a temperatura y presión normales y podría ayudar a explicar la escasez de dolomita en rocas más jóvenes. Crédito de la foto: Francesca.z73 vía Wikimedia Commons.

“Cada paso atómico normalmente requeriría 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 Joonsoo Kim, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales y primer autor del estudio.

Aplicación práctica y prueba de la teoría.

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 esta evidencia por sí sola no fue suficiente para ser completamente convincente. Ingresan Yuki Kimura, profesor de ciencia de materiales en la Universidad de Hokkaido, y Tomoya Yamazaki, investigador postdoctoral en el laboratorio de Kimura. Probaron la nueva teoría con una peculiaridad de los microscopios electrónicos de transmisión.

«Los microscopios electrónicos generalmente utilizan haces de electrones sólo para obtener imágenes de muestras», dijo Kimura. “Sin embargo, el rayo también puede dividir el agua, lo que hace que ácido lo que puede hacer que los cristales se disuelvan. Normalmente, esto es malo para las imágenes, pero en este caso, la disolución 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 en el transcurso de dos horas, disolviendo los defectos. Después de los pulsos, la dolomita creció aproximadamente 100 nanómetros, unas 250.000 veces más pequeña que una pulgada. Aunque sólo había 300 capas de dolomita, nunca antes se habían cultivado más de cinco capas de dolomita en un laboratorio.

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

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

Referencia: “La disolución permite el crecimiento de cristales de dolomita cerca de las condiciones ambientales” por Joonsoo Kim, Yuki Kimura, Brian Puchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker y Wenhao Sun, 23 de noviembre de 2023. Ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.adi3690

La investigación fue financiada por la beca PRF New Doctoral Investigator de la American Chemical Society, el Departamento de Energía de EE. UU. y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia.