“O problema das Dolomitas” – Cientistas resolvem um mistério geológico de 200 anos

Professor Wenhao Sun exibe dolomita de sua coleção pessoal de rochas. A Sun estuda o crescimento cristalino de metais do ponto de vista da ciência dos materiais. Ao compreender como os átomos se unem para formar minerais naturais, ele acredita que podemos descobrir os mecanismos básicos do crescimento dos cristais, que podem ser usados ​​para produzir materiais funcionais de forma mais rápida e eficiente. Crédito: Marcin Szczybanski, contador de histórias multimídia sênior, Michigan Engineering.

Para criar montanhas de dolomita, um mineral comum, ela deve ser derretida periodicamente. Este conceito aparentemente contraditório pode ajudar a tornar novos produtos impecáveis Semicondutores E mais.

Durante dois séculos, os cientistas não conseguiram produzir um mineral comum em laboratório sob condições que se acredita terem se formado naturalmente. Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Michigan e Universidade de Hokkaido Em Sapporo, o Japão finalmente conseguiu exatamente isso, graças a uma nova teoria desenvolvida através de simulações atômicas.

Seu sucesso resolve um mistério geológico de longa data chamado “Problema Dolomita”. Dolomita – um mineral chave encontrado nas Montanhas Dolomitas na Itália, nas Cataratas do Niágara, nos Penhascos Brancos de Dover e no Hoodoo em Utah – é abundante nas rochas Mais de 100 milhões de anosNo entanto, está quase ausente nas formações jovens.

Wenhao Sun, professor assistente de ciência e engenharia de materiais da Dow na Universidade de Michigan, e Junsu Kim, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais no grupo de pesquisa do professor Sun, mostram rochas dolomitas da coleção de seu laboratório. Os dois cientistas desenvolveram uma teoria que poderia finalmente explicar um mistério de dois séculos sobre a abundância de dolomita na Terra. Crédito: Marcin Szczybanski, contador de histórias multimídia sênior, Michigan Engineering.

A importância de compreender o crescimento da dolomita

“Se entendermos como a dolomita cresce na natureza, poderemos aprender novas estratégias para aumentar o crescimento de cristais de materiais tecnológicos modernos”, disse recentemente Wenhao Sun, professor de ciência e engenharia de materiais na Universidade Dow e autor correspondente do artigo. Publicado em Ciências.

O segredo para finalmente cultivar dolomita em laboratório foi remover defeitos na estrutura mineral à medida que ela crescia. Quando os minerais se formam na água, os átomos geralmente são depositados ordenadamente na borda da superfície cristalina em crescimento. No entanto, a borda de crescimento da dolomita consiste em fileiras alternadas de cálcio e magnésio. Na água, o cálcio e o magnésio fixam-se aleatoriamente ao cristal de dolomita em crescimento, muitas vezes depositando-se no lugar errado e criando defeitos que impedem a formação de camadas adicionais de dolomita. Esta perturbação retarda o crescimento da dolomita, o que significa que seriam necessários 10 milhões de anos para formar apenas uma camada de dolomita ordenada.

Estrutura de borda de cristal Dolomita. Fileiras de magnésio (bolas laranja) alternam-se com fileiras de cálcio (bolas azuis), intercaladas com carbonatos (estruturas pretas). As setas rosa mostram as direções de crescimento dos cristais. O cálcio e o magnésio muitas vezes se ligam incorretamente à borda de crescimento, interrompendo o crescimento da dolomita. Fonte da imagem: Junsu Kim, estudante de doutorado em Ciência e Engenharia de Materiais, Universidade de Michigan.

Felizmente, esses defeitos não são corrigidos. Como os átomos desordenados são menos estáveis ​​que os átomos na posição correta, eles são os primeiros a se dissolver quando o metal é lavado com água. A lavagem repetida dessas falhas – por exemplo, com chuva ou ciclos de marés – permite que a camada de dolomita se forme em apenas alguns anos. Com o passar do tempo geológico, as montanhas dolomitas podem se acumular.

Técnicas avançadas de simulação

Para simular com precisão o crescimento da dolomita, os pesquisadores precisaram calcular quão forte ou fracamente os átomos estavam ligados à superfície da dolomita existente. Simulações mais precisas requerem a energia de cada interação entre elétrons e átomos no cristal em crescimento. Esses cálculos exaustivos normalmente exigem grandes quantidades de poder de computação, mas o software desenvolvido no Centro de Ciência Preditiva de Materiais Estruturais (PRISMS) da Universidade de Maryland forneceu um atalho.

“Nosso software calcula a energia de alguns arranjos atômicos e depois os extrapola para prever as energias de outros arranjos com base na simetria da estrutura cristalina”, disse Brian Buchala, um dos principais desenvolvedores do programa e pesquisador associado da Universidade. do departamento de Maryland. Ciência e engenharia de materiais.

Este atalho tornou possível simular o crescimento da dolomita em escalas de tempo geológicas.

A dolomita é um mineral tão comum em rochas antigas que forma montanhas como a cordilheira de mesmo nome no norte da Itália. Mas a dolomita é rara em rochas mais jovens e não pode ser produzida em laboratório nas condições em que se formou naturalmente. Uma nova teoria ajudou os cientistas a cultivar o mineral em laboratório a temperatura e pressão normais pela primeira vez e pode ajudar a explicar a escassez de dolomita em rochas mais jovens. Fonte da imagem: Francesca.z73 via Wikimedia Commons.

“Cada passo atômico normalmente leva mais de 5.000 horas de CPU em um supercomputador. Agora, podemos fazer o mesmo cálculo em 2 milissegundos em um desktop”, disse Junsu Kim, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais e primeiro autor do estudo.

Aplicação prática e teste teórico

As poucas áreas onde a dolomita se forma hoje são inundadas intermitentemente e depois secam, o que concorda bem com a teoria de Sun e Kim. Mas tal evidência por si só não foi suficiente para ser completamente convincente. Entra Yuki Kimura, professor de ciência de materiais da Universidade de Hokkaido, e Tomoya Yamazaki, pesquisador de pós-doutorado no laboratório de Kimura. Eles testaram a nova teoria usando microscópios eletrônicos de transmissão.

“Os microscópios eletrônicos normalmente usam apenas feixes de elétrons para obter imagens de amostras”, disse Kimura. “No entanto, o feixe também pode dividir a água, fazendo… azedo O que pode fazer com que os cristais se dissolvam. Isso geralmente é ruim para a fotografia, mas neste caso a decomposição é exatamente o que queríamos.

Depois de colocar um pequeno cristal de dolomita em uma solução de cálcio e magnésio, Kimura e Yamazaki pulsaram suavemente o feixe de elétrons 4.000 vezes ao longo de duas horas, removendo os defeitos. Após os pulsos, a dolomita foi observada crescendo cerca de 100 nanômetros, cerca de 250 mil vezes menor que uma polegada. Embora estas fossem apenas 300 camadas de dolomita, nunca mais do que cinco camadas de dolomita haviam sido cultivadas em laboratório antes.

As lições aprendidas com o problema da dolomita poderiam ajudar os engenheiros a fabricar materiais de maior qualidade para semicondutores, painéis solares, baterias e outras tecnologias.

“No passado, os produtores de cristal que queriam fazer materiais perfeitos tentavam cultivá-los muito lentamente”, disse Sun. “Nossa teoria mostra que você pode cultivar materiais livres de defeitos rapidamente, se dissolver os defeitos periodicamente durante o crescimento.”

Referência: “O derretimento permite o crescimento de cristais de dolomita em condições próximas ao ambiente” por Junsu Kim, Yuki Kimura, Brian Buchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker e Wenhao Sun, 23 de novembro de 2023, Ciências.
doi: 10.1126/science.adi3690

A pesquisa foi financiada por uma bolsa para novos investigadores de doutorado da American Chemical Society PRF, do Departamento de Energia dos EUA e da Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência.