Durante 200 anos, os cientistas não conseguiram cultivar um mineral comum em laboratório nas condições que se acredita terem sido formadas naturalmente. Agora, uma equipe de pesquisadores da Universidade de Michigan e da Universidade de Hokkaido, em Sapporo, no Japão, finalmente conseguiu, graças a uma nova teoria desenvolvida a partir de simulações atômicas.



Seu sucesso resolve um mistério geológico de longa data chamado "Problema Dolomita". A Dolomita – um mineral chave nas montanhas Dolomitas na Itália, nas Cataratas do Niágara e nos Hoodoos de Utah – é muito abundante em rochas com mais de 100 milhões de anos, mas quase ausente em formações mais jovens.

"Se entendermos como a dolomita cresce na natureza, poderemos aprender novas estratégias para promover o crescimento de cristais de materiais tecnológicos modernos", disse Wenhao Sun, professor de ciência e engenharia de materiais em início de carreira da Dow na UM e autor correspondente do artigo publicado hoje em Ciências .

O segredo para finalmente cultivar dolomita em laboratório foi remover defeitos na estrutura mineral à medida que ela cresce. Quando os minerais se formam na água, os átomos geralmente se depositam ordenadamente nas bordas da superfície do cristal 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 se ligam aleatoriamente ao cristal de dolomita em crescimento, muitas vezes alojando-se no local errado e criando defeitos que impedem a formação de camadas adicionais de dolomita. Esse distúrbio retarda o crescimento da dolomita, o que significa que levaria 10 milhões de anos para formar apenas uma camada de dolomita ordenada.

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

Para simular com precisão o crescimento da dolomita, os pesquisadores precisaram calcular com que força ou frouxidade os átomos se fixarão a uma superfície de dolomita existente. As simulações mais precisas requerem a energia de cada interação entre elétrons e átomos no cristal em crescimento. Esses cálculos exaustivos geralmente requerem grandes quantidades de poder de computação, mas o software desenvolvido no Centro de Ciência de Materiais de Estrutura Preditiva (PRISMS) da UM ofereceu um atalho.

"Nosso software calcula a energia para alguns arranjos atômicos e depois extrapola para prever as energias para outros arranjos com base na simetria da estrutura cristalina", disse Brian Puchala, um dos principais desenvolvedores do software e pesquisador associado do Departamento da UM. de Ciência e Engenharia de Materiais.

Esse atalho tornou viável simular o crescimento da dolomita em escalas de tempo geológicas.

"Cada etapa atômica normalmente levaria mais de 5.000 horas de CPU em um supercomputador. Agora, podemos fazer o mesmo cálculo em 2 milissegundos em um desktop, "disse Joonsoo Kim, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais e primeiro autor do estudo.

As poucas áreas onde a dolomita se forma hoje inundam intermitentemente e depois secam, o que se alinha bem com a teoria de Sun e Kim. Mas essas evidências por si só não foram suficientes para serem totalmente convincentes. 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 com uma peculiaridade dos microscópios eletrônicos de transmissão.

"Os microscópios eletrônicos geralmente usam feixes de elétrons apenas para obter imagens de amostras", disse Kimura. "No entanto, o feixe também pode dividir a água, o que produz ácido que pode causar a dissolução dos cristais. Normalmente, isso é ruim para a geração de imagens, mas neste caso, a dissolução é exatamente o que queríamos."

Depois de colocar um minúsculo 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, dissolvendo os defeitos. Após os pulsos, a dolomita cresceu aproximadamente 100 nanômetros – cerca de 250.000 vezes menor que uma polegada. Embora fossem apenas 300 camadas de dolomita, nunca antes haviam sido cultivadas mais de cinco camadas de dolomita em laboratório.

As lições aprendidas com o Problema das Dolomitas podem 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 fabricar materiais sem defeitos tentavam cultivá-los bem lentamente”, disse Sun. "Nossa teoria mostra que você pode cultivar materiais livres de defeitos rapidamente, se dissolver periodicamente os defeitos durante o crescimento."

Mais informações: Joonsoo Kim et al, Dissolução permite o crescimento de cristais de dolomita perto das condições ambientais, Ciência (2023). DOI:10.1126/science.adi3690. www.science.org/doi/10.1126/science.adi3690
Juan Manuel García-Ruiz, Uma solução flutuante para o problema da dolomita, Ciência (2023). DOI:10.1126/science.adl1734, www.science.org/doi/10.1126/science.adl1734

Informações do diário: Ciência

Fornecido pela Universidade de Michigan