Roma não foi construída em um dia, mas algumas das melhores pedras preciosas da Terra eram, de acordo com uma nova pesquisa da Rice University.

Aquamarine, esmeralda, granada, zircão e topázio são apenas alguns dos minerais cristalinos encontrados principalmente em pegmatitos, formações semelhantes a veias que comumente contêm grandes cristais e elementos difíceis de encontrar, como tântalo e nióbio. Outro achado comum é o lítio, um componente vital das baterias de carros elétricos.

"Este é um passo para entender como a Terra concentra o lítio em certos lugares e minerais, "disse o estudante de pós-graduação da Rice, Patrick Phelps, co-autor de um estudo publicado online em Nature Communications . "Se pudermos entender os fundamentos das taxas de crescimento do pegmatito, é um passo na direção de compreender o quadro geral de como e onde eles se formam. "

Pegmatitos são formados quando o magma ascendente esfria dentro da Terra, e eles apresentam alguns dos maiores cristais da Terra. A mina Etta de Dakota do Sul, por exemplo, apresenta cristais do tamanho de toras de espodumênio rico em lítio, incluindo um de 42 pés de comprimento e pesando cerca de 37 toneladas. A pesquisa de Phelps, Cin-Ty Lee de Rice e o geólogo Douglas Morton do sul da Califórnia tentam responder a uma pergunta que há muito incomoda os mineralogistas:como podem existir cristais tão grandes em pegmatitos?

"Em minerais magmáticos, o tamanho do cristal está tradicionalmente ligado ao tempo de resfriamento, "disse Lee, Harry Carothers Wiess, Professor de Geologia de Rice e presidente do Departamento da Terra, Ciências Ambientais e Planetárias em Rice. "A ideia é que cristais grandes demoram a crescer."

Magma que esfria rapidamente, como rocha em lavas em erupção, contém cristais microscópicos, por exemplo. Mas o mesmo magma, se resfriado por dezenas de milhares de anos, pode apresentar cristais do tamanho de um centímetro, Lee disse.

"Os pegmatitos esfriam de maneira relativamente rápida, às vezes em apenas alguns anos, e ainda assim eles apresentam alguns dos maiores cristais da Terra, "disse ele." A grande questão é realmente, 'Como pode ser?'"

Quando Phelps começou a pesquisa, suas perguntas mais imediatas eram sobre como formular um conjunto de medidas que lhe permitiriam, Lee e Morton para responder à grande questão.

"Era mais uma questão de, 'Podemos descobrir com que rapidez eles realmente crescem?' ", Disse Phelps." Podemos usar oligoelementos - elementos que não pertencem aos cristais de quartzo - para descobrir a taxa de crescimento? "

Demorou mais de três anos, uma viagem de campo para coletar amostras de cristais de uma mina pegmatita no sul da Califórnia, centenas de medições de laboratório para mapear com precisão a composição química das amostras e um mergulho profundo em artigos científicos de materiais de 50 anos para criar um modelo matemático que pudesse transformar os perfis químicos em taxas de crescimento de cristal.

"Examinamos cristais que tinham meia polegada de largura e mais de uma polegada de comprimento, "Phelps disse." Nós mostramos que eles cresceram em questão de horas, e não há nada que sugira que a física seria diferente em cristais maiores que medem um metro ou mais de comprimento. Com base no que encontramos, cristais maiores como esse podem crescer em questão de dias. "

Os pegmatitos se formam onde pedaços da crosta terrestre são puxados para baixo e reciclados no manto derretido do planeta. Qualquer água presa na crosta torna-se parte do derretimento, e conforme o derretimento sobe e esfria, dá origem a muitos tipos de minerais. Cada um se forma e precipita a partir do fundido a uma temperatura e pressão características. Mas a água permanece, constituindo uma porcentagem progressivamente maior do fundido de resfriamento.

"Eventualmente, você recebe tanta água que sobra que se torna mais um fluido dominado pela água do que um fluido dominado pelo derretimento, "Disse Phelps." Os elementos que sobraram nesta mistura aquosa agora podem se mover muito mais rápido. As taxas de difusão química são muito mais rápidas em fluidos e os fluidos tendem a fluir mais rapidamente. Então, quando um cristal começa a se formar, elementos podem chegar mais rápido, o que significa que pode crescer mais rápido. "

Os cristais são arranjos ordenados de átomos. Eles se formam quando os átomos caem naturalmente nesse padrão organizado com base em suas propriedades químicas e níveis de energia. Por exemplo, na mina onde Phelps coletou suas amostras de quartzo, muitos cristais se formaram no que parecia ser rachaduras que se abriram enquanto o pegmatito ainda estava se formando.

"Você vê isso surgindo e atravessando as camadas do próprio pegmatito, quase como veias dentro de veias, "Phelps disse." Quando essas rachaduras se abriram, isso baixou a pressão rapidamente. Então, o fluido entrou rapidamente, porque tudo esta se expandindo, e a pressão caiu drasticamente. De repente, todos os elementos do banho estão agora confusos. Eles não querem mais estar nesse estado físico, e eles rapidamente começam a se unir em cristais. "

Para decifrar a rapidez com que os cristais de amostra cresceram, Phelps usou microscopia de catodoluminescência e ablação a laser com espectrometria de massa para medir a quantidade precisa de oligoelementos que foram incorporados à matriz de cristal em dezenas de pontos durante o crescimento. Do trabalho experimental feito por cientistas de materiais em meados do século 20, Phelps foi capaz de decifrar as taxas de crescimento desses perfis.

"Existem três variáveis, - disse ele. - Existe a probabilidade de as coisas serem trazidas. Esse é o coeficiente de partição. Veja o quão rápido o cristal está crescendo, a taxa de crescimento. E então há a difusividade, então, com que rapidez os nutrientes elementares são levados ao cristal. "

Phelps disse que as taxas de crescimento rápido foram uma grande surpresa.

"Pegmatitas têm vida muito curta, então sabíamos que eles tinham que crescer relativamente rápido, "disse ele." Mas estávamos mostrando que era algumas ordens de magnitude mais rápido do que qualquer um havia previsto.

"Quando eu finalmente consegui um desses números, Lembro-me de ir ao escritório de Cin-Ty, e dizendo, 'Isso é viável? Eu não acho que isso esteja certo. '"Phelps relembrou." Porque na minha cabeça, Eu ainda estava pensando em uma escala de tempo de mil anos. E esses números significavam dias ou horas.

"E Cin-Ty disse, 'Nós vamos, por que não? Por que não pode estar certo? '", Disse Phelps." Porque tínhamos feito a matemática e a física. Essa parte era boa. Embora não esperássemos que fosse tão rápido, não poderíamos encontrar um motivo pelo qual não fosse plausível. "