Gli scienziati hanno risolto il cosidetto "problema della dolomite", un mistero durato per ben 2 secoli
Dopo ben due secoli, gli scienziati hanno finalmente risolto un mistero geologico non indifferente: si tratta dell'enigma che avvolge la dolomite, un comune materiale presente in natura ma che non erano mai riusciti a riprodurre in laboratorio. Ecco quale soluzione hanno trovato.
Dolomite in natura e in laboratorio
Didier Descouens/Wikimedia commons - CC BY-SA 4.0
La dolomite è al centro del mistero per gli scienziati da duecento anni. Il motivo? Non sono mai riusciti a coltivare in laboratorio questo minerale comune nelle medesime condizioni in cui si è formato in natura, sin da quando venne identificato per la prima volta nel 1791. A quanto pare, però, un team di ricercatori è finalmente riuscito nell'impresa. Gli scienziati coinvolti, dell’Università del Michigan, USA, e dell’Università Hokkaido di Sapporo, Giappone, hanno elaborato una nuova teoria creata da simulazione atomiche. Questo studio risolutivo pone fine a un mistero geologico molto longevo.
La dolomite è un minerale di primo piano nelle montagne italiane, le Dolomiti appunto, ma anche nelle cascate del Niagare, negli Hoodoos dello Utah e nelle scogliere di Dover. Fondamentalmente, si trova in elevate quantità nelle rocce che hanno più di cento milioni di anni, ma raramente è presente in quelle meno antiche. "La dolomite, un carbonato di calcio e magnesio, è uno dei principali minerali presenti nelle rocce carbonatiche. Tuttavia, coltivare il minerale in condizioni di laboratorio si è rivelato molto difficile, dando luogo al cosiddetto 'problema della dolomite'" si legge nello studio.
Essendo la dolomite molto rara nelle rocce giovani, non può essere riprodotta artificialmente in laboratorio simulando le condizioni presenti centinaia di milioni di anni fa. Tuttavia, una nuova teoria lo ha reso possibile, aiutando gli scienziati a coltivare il minerale per la prima volta a temperatura e pressione normali: questo potrebbe anche spiegare la scarsa presenza della dolomite nelle rocce giovani. Wenhao Sun , professore Dow Early Career di scienza e ingegneria dei materiali all'UM e autore della ricerca, ha spiegato: "Se comprendiamo come la dolomite cresce in natura, potremmo apprendere nuove strategie per promuovere la crescita dei cristalli dei moderni materiali tecnologici."
La teoria che ha portato alla creazione della dolomite in laboratorio
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Ma qual è stata la "formula magica" che reso possibile questa impresa? La chiave è stata quella di rimuovere i difetti nella struttura della dolomite durante la sua fase di crescita. Nel momento in cui i minerali si formano nell'acqua, infatti, gli atomi tendono a depositarsi in modo ordinato su un bordo della superficie cristallina in via di sviluppo. Questo bordo, però, è composto da file alternate di magnesio e calcio, che nell'acqua finiscono per aggregarsi in modo casuale al cristallo di dolomite. Questa disposizione casuale potrebbe creare difetti o depositarsi in punti che ostacolano lo sviluppo di ulteriori strati di dolomite: a questo punto, per generare uno strato di dolomite ordinata, sarebbero necessari dieci milioni di anni.
Tuttavia, questi difetti possono essere eliminati: gli atomi disordinati sono infatti meno stabili rispetto a quelli che si trovano nella posizione giusta, dunque sono i primi che finiscono per dissolversi quando il minerale entra a contatto con l'acqua del mare o piovana. Venendo ripetutamente lavato dalla pioggia o dalle maree, un nuovo strato di dolomite può generarsi nell'arco di qualche anno, che nello scorrere del tempo geologico finisce col diventare una montagna di dolomite. Dunque, per simulare meticolosamente la crescita del minerale, gli autori dello studio hanno dovuto calcolare con quanta intensità o scarsa energia gli atomi si aggregano a una superficie di dolomite già esistente, esaminando ogni singola interazione tra elettroni e atomi nel cristallo in fase di crescita.
Il segreto per ricreare la dolomite in laboratorio, scoperto dopo 200 anni
Didier Descouens/Wikimedia commons - CC BY-SA 4.0
Per eseguire questi calcoli, il Centro Predictive Structure Materials Science (PRISMS) della UM ha sviluppato un software che si è rivelato estremamente utile. Brian Puchala, tra gli sviluppatori principali, ha dichiarato: "Il nostro software calcola l'energia per alcune disposizioni atomiche, quindi estrapola per prevedere le energie per altre disposizioni in base alla simmetria della struttura cristallina." Joonsoo Kim, primo autore dello studio e studente di dottorato in scienza e ingegneria dei materiali, ha aggiunto: "Ogni passo atomico normalmente richiederebbe più di 5000 ore di CPU su un supercomputer. Ora possiamo fare lo stesso calcolo in 2 millisecondi su un desktop."
Le poche zone in cui, in tempi moderni, si forma la dolomite tendono ad allagarsi in modo intermittente per poi seccarsi. A dimostrare questa teoria ci hanno pensato Yuki Kimura e Tomoya Yamazaki, rispettivamente professore di scienza dei materiali dell'Università di Hokkaido e ricercatore post-dottorato, tramite microscopi elettronici a trasmissione, che di solito "utilizzano fasci di elettroni solo per visualizzare i campioni. Tuttavia, il raggio può anche dividere l'acqua, producendo acido che può causare la dissoluzione dei cristalli. Di solito questo è dannoso per l'imaging, ma in questo caso la dissoluzione è esattamente ciò che volevamo." Kimura e Yamazaki hanno posizionato un microscopico cristallo di dolomite in una soluzione di magnesio e calcio, facendo pulsare il fascio di elettrone quattromila volte in due ore e dissolvendo, così, i difetti. In seguito a questo, il minerale ha iniziato a crescere a circa cento nanometri, raggiungendo oltre trecento strati. Finora, in laboratorio ne erano stati coltivati un massimo di cinque.
"In passato, i coltivatori di cristalli che volevano produrre materiali senza difetti, provavano a coltivarli molto lentamente. La nostra teoria mostra che è possibile coltivare rapidamente materiali privi di difetti, se si eliminano periodicamente durante la crescita" ha spiegato Sun. Il problema della dolomite, dunque, è finalmente stato risolto.
