El “problema de la dolomita”, un problema centenario, por fin solucionado
Los científicos han luchado durante dos siglos para reproducir en el laboratorio las condiciones naturales de formación de un mineral común. Una colaboración reciente entre la Universidad de Michigan y la Universidad de Hokkaido ha resuelto este rompecabezas aplicando una novedosa teoría derivada de simulaciones atómicas.
Este descubrimiento aborda el persistente enigma geológico conocido como el “Problema de la Dolomita”. Efectivamente, la dolomita, crucial en formaciones como los montes Dolomitas, las cataratas del Niágara, los Acantilados Blancos de Dover y los Hoodoos de Utah, abunda en rocas de más de 100 millones de años, pero escasea notablemente en las más jóvenes.
” Si conseguimos descifrar cómo crece la dolomita de forma natural, podríamos descubrir técnicas novedosas para fomentar el crecimiento cristalino de los materiales modernos utilizados en tecnología”, explica Wenhao Sun, catedrático Dow de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UM y autor principal del artículo publicado en Science.
El descubrimiento del crecimiento de la dolomita en el laboratorio consistió en rectificar defectos en la estructura del mineral durante su proceso de crecimiento.
Solucionado el viejo “problema de la dolomita” en geología: el borde de crecimiento de la dolomita
Cuando los minerales se desarrollan en el agua, los átomos se adhieren perfectamente al borde del cristal que avanza. Sin embargo, el borde de crecimiento de la dolomita comprende filas alternas de calcio y magnesio.
En el agua, el calcio y el magnesio se adhieren irregularmente al cristal de dolomita en desarrollo, ocupando a menudo posiciones incorrectas, generando defectos que impiden la formación de nuevas capas de dolomita.
Este desorden dificulta considerablemente el crecimiento de la dolomita, convirtiéndola en un proceso extremadamente lento, que tarda hasta 10 millones de años en producir una sola capa de dolomita ordenada.
Pero afortunadamente, estos defectos no son permanentes. Cuando el agua enjuaga el mineral, los átomos desordenados son los primeros en disolverse debido a su inestabilidad en comparación con los átomos en las posiciones correctas.
Se resuelve el viejo “problema de la dolomita” de la geología: una capa de dolomita
La eliminación repetida de estos defectos -por ejemplo, a través de la lluvia o de los ciclos de las mareas- permite la formación de una capa de dolomita en pocos años. Durante períodos prolongados, la dolomita puede acumularse en importantes formaciones montañosas.
Para simular con precisión el crecimiento de la dolomita, los investigadores necesitaban calcular con exactitud la fuerza de adhesión de los átomos a una superficie de dolomita existente.
Esta precisión suele requerir una enorme potencia de cálculo. Sin embargo, el software desarrollado en el Centro de Ciencia de Materiales de Estructura Predictiva (PRISMS) de la UM ofrecía un enfoque simplificado.
” Nuestro software predice energías para diferentes disposiciones atómicas evaluando unas pocas y extrapolando en función de la simetría de la estructura cristalina”, explica Brian Puchala. Responsable del software e investigador científico asociado del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UM.
Se resuelve el viejo “problema de la dolomita” de la geología: El atajo computacional
El atajo computacional permitió simular el crecimiento de la dolomita a lo largo de periodos geológicos.
Antes cada paso atómico requería más de 5.000 horas de CPU en un superordenador. Joonsoo Kim, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales y autor principal del estudio, mencionó que ahora un ordenador de sobremesa puede completar el mismo cálculo en 2 milisegundos.
Los sitios contemporáneos donde se forma esporádicamente dolomita -zonas inundadas y posteriormente secas- corroboran la teoría de Sun y Kim. Sin embargo, estas pruebas por sí solas no eran del todo convincentes.
Yuki Kimura, catedrático de Ciencias de los Materiales de la Universidad de Hokkaido, y Tomoya Yamazaki, investigador postdoctoral del laboratorio de Kimura, corroboraron la nueva teoría utilizando una característica inusual de los microscopios electrónicos de transmisión.
” Generalmente, los investigadores emplean los microscopios electronicos sólo para tomar imágenes de las muestras. Sin embargo, el haz de electrones puede también dividir el agua, generando ácido que disuelve los cristales. Aunque esto suele ser perjudicial para la obtención de imágenes, en este caso la disolución era exactamente lo que necesitábamos”, explica Kimura.
Minúsculo cristal de dolomita
Kimura por Yamazaki disolvieron los defectos de un minúsculo cristal de dolomita sometiéndolo a una solución de calcio y magnesio y haciendo pulsar suavemente el haz de electrones 4.000 veces a lo largo de dos horas.
Tras estos pulsos, la dolomita se expandió unos 100 nanómetros, unas 250.000 veces menos que una pulgada.
Esto equivale a unas 300 capas de dolomita, lo que supone un salto sustancial con respecto al máximo de cinco capas que se había obtenido previamente en un laboratorio.
Los conocimientos obtenidos al resolver el problema de la dolomita pueden ayudar a los ingenieros a fabricar materiales de calidad superior para semiconductores, placas solares, baterías y otras tecnologías.
En el pasado, los productores de cristales que intentaban producir materiales sin defectos buscaban un crecimiento lento. Sun llegó a la conclusión de que disolver periódicamente los defectos durante el crecimiento permite obtener materiales sin defectos con rapidez.
Este estudio ha recibido financiación de 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.
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