Durante más de dos siglos, los científicos han intentado, sin éxito, cultivar dolomita en el laboratorio en condiciones que coincidan con las que se forman en la naturaleza. Un estudio reciente finalmente ha cambiado eso. Investigadores de la Universidad de Michigan y la Universidad de Hokkaido en Sapporo, Japón, han logrado desarrollar una nueva teoría basada en simulaciones atómicas detalladas.
Su trabajo resuelve un antiguo enigma geológico conocido como el “problema de la dolomita”. La dolomita es un mineral muy extendido que se encuentra en lugares emblemáticos como las montañas Dolomitas de Italia, las Cataratas del Niágara y los Hoodoos de Utah. Abunda en rocas de más de 100 millones de años, aunque rara vez se forma en ambientes recientes.
“Si entendemos cómo crece la dolomita en la naturaleza, podemos aprender nuevas técnicas para el crecimiento de cristales de materiales tecnológicos avanzados”, dijo Wenhao Sun, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de Dow Early Career en la UM y autor correspondiente del artículo publicado en Science.
¿Por qué el crecimiento de la dolomita es tan lento?
Se han logrado avances clave al comprender qué es lo que altera la formación de dolomita. En el agua, los minerales suelen crecer cuando los átomos se unen a la superficie de un cristal de manera ordenada. La dolomita se comporta de manera diferente porque su estructura está formada por capas alternas de calcio y magnesio.
A medida que el cristal crece, estos dos elementos suelen unirse al azar en lugar de alinearse correctamente. Esto crea defectos estructurales que impiden un mayor crecimiento. El resultado es un proceso extremadamente lento. A ese ritmo, una sola capa ordenada de dolomita podría tardar hasta 10 millones de años en formarse.
El mecanismo de reinicio incorporado de la naturaleza
Los investigadores se dieron cuenta de que estos defectos no eran permanentes. Los átomos fuera de lugar son menos estables y es más probable que se disuelvan cuando se exponen al agua. En entornos naturales, ciclos como las lluvias o los cambios de mareas arrasan repetidamente estas áreas falladas.
Con el tiempo, este proceso limpia la superficie para que se puedan formar nuevas capas correctamente alineadas. En lugar de tardar millones de años en formarse una sola capa, la dolomita puede acumularse lentamente en intervalos mucho más cortos. Durante largos períodos geológicos, esto condujo a los grandes depósitos que se observan en formaciones rocosas antiguas.
Simulación del crecimiento de cristales a nivel atómico.
Para probar su idea, el equipo necesitaba modelar cómo interactúan los átomos en las formas de dolomita. Esto requiere calcular las energías involucradas en innumerables interacciones entre electrones y átomos, lo que suele ser muy exigente en términos de potencia informática.
Investigadores del Centro de Ciencia de Materiales de Estructura Predictiva PRISMS de la UM han desarrollado un software que simplifica este desafío. Calcula energías para determinadas disposiciones atómicas y luego predice otras basándose en la simetría de la estructura cristalina.
“Nuestro software calcula las energías para algunos arreglos atómicos y luego las extrapola para predecir energías para otros arreglos basándose en la simetría de la estructura cristalina”, dijo Brian Puchala, uno de los principales desarrolladores del software y científico investigador asociado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UM.
Este enfoque hizo posible simular el crecimiento de la dolomita durante períodos de tiempo que reflejan procesos geológicos reales.
“Cada paso atómico normalmente requiere más de 5.000 horas de CPU en una supercomputadora. Ahora podemos hacer el mismo cálculo en 2 milisegundos en una computadora de escritorio”, dijo Junsu Kim, estudiante de doctorado en el Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales y primer autor del estudio.
Las pruebas de laboratorio confirman la teoría.
Los entornos naturales donde todavía se forma dolomita hoy en día a menudo se secan después de ciclos de inundaciones, lo que respalda la teoría del equipo. Sin embargo, todavía se necesitaba evidencia experimental directa.
La evidencia proviene del profesor de física de la Universidad de Hokkaido, Yuki Kimura, y de Tomoya Yamazaki, investigador postdoctoral en su laboratorio. Utilizaron una propiedad inusual del microscopio electrónico de transmisión para recrear el proceso.
“Los microscopios electrónicos normalmente utilizan el haz de electrones sólo para tomar muestras de la imagen”, dijo Kimura. “Sin embargo, el haz también puede dividir el agua, lo que crea ácido que puede disolver el cristal. Normalmente eso es malo para la obtención de imágenes, pero en este caso, la disolución era exactamente lo que queríamos”.
El equipo colocó un pequeño cristal de dolomita en una solución que contenía calcio y magnesio. Luego pulsaron el haz de electrones 4.000 veces durante dos horas, disolviendo repetidamente los defectos a medida que se formaban.
Después de este proceso, el cristal se vuelve unas 250.000 veces más pequeño que unos 100 nanómetros o una pulgada. Este ascenso representa unas 300 capas de dolomita. Los experimentos anteriores nunca habían producido más de cinco capas.
Implicaciones para la tecnología moderna
Resolver el problema de la dolomita hace más que explicar un misterio geológico. También proporciona información sobre cómo se puede controlar el crecimiento de cristales en materiales avanzados utilizados en la tecnología moderna.
“En el pasado, los productores de cristal que querían fabricar materiales sin defectos intentaban crecer muy lentamente”, dijo Sun. “Nuestra teoría muestra que se pueden cultivar materiales libres de defectos más rápido si se disuelven los defectos durante el crecimiento por fases”.
El concepto podría ayudar a mejorar la producción de semiconductores, paneles solares, baterías y otras tecnologías de alto rendimiento.
La investigación fue financiada por una beca para nuevos investigadores doctorales PRF de la Sociedad Química Estadounidense, el Departamento de Energía de Estados Unidos y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia.
