Resuelven el misterio geológico no resuelto durante 200 años del "problema de la dolomita"
Tras los resultados obtenidos, los ingenieros podrían crear materiales de mayor calidad para semiconductores, paneles solares, baterías y otras tecnologías.
Durante 200 años, los científicos no han conseguido cultivar la dolomita, un mineral común, en el laboratorio en las condiciones en que se creía que se crea de forma natural. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Michigan (Estados Unidos) y de la Universidad de Hokkaido (Japón) finalmente lo ha conseguido, gracias a una nueva teoría desarrollada a partir de simulaciones atómicas.
Su éxito resuelve un antiguo misterio geológico llamado el "Problema de la Dolomita". La dolomita, un mineral clave en las montañas Dolomitas de Italia, las cataratas del Niágara, los Acantilados Blancos de Dover y los Hoodoos de Utah, es muy abundante en rocas de más de 100 millones de años, pero casi ausente en formaciones más jóvenes.
"Si entendemos cómo crece la dolomita en la naturaleza, podríamos aprender nuevas estrategias para promover el crecimiento cristalino de los materiales tecnológicos modernos", afirma Wenhao Sun, catedrático Dow de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UM y autor del estudio, publicado en la revista 'Science'.
El secreto para hacer crecer finalmente la dolomita en el laboratorio consistió en eliminar los defectos de la estructura del mineral a medida que crecía.
Cuando los minerales se forman en el agua, los átomos suelen depositarse ordenadamente en un borde de la superficie del cristal en crecimiento. Sin embargo, el borde de crecimiento de la dolomita consiste en filas alternas de calcio y magnesio.
En el agua, el calcio y el magnesio se adhieren aleatoriamente al cristal de dolomita en crecimiento, alojándose a menudo en el lugar equivocado y creando defectos que impiden la formación de capas adicionales de dolomita. Este desorden ralentiza el crecimiento de la dolomita, lo que significa que se necesitarían 10 millones de años para formar una sola capa de dolomita ordenada.
Pero estos defectos no están bloqueados. Dado que los átomos desordenados son menos estables que los átomos en la posición correcta, son los primeros en disolverse cuando el mineral se lava con agua. El lavado repetido de estos defectos --por ejemplo, con la lluvia o los ciclos de las mareas-- permite que se forme una capa de dolomita en cuestión de años. A lo largo del tiempo geológico, pueden acumularse montañas de dolomita.
Para simular con precisión el crecimiento de la dolomita, los investigadores necesitaban calcular con qué fuerza o soltura se adherirán los átomos a una superficie de dolomita existente. Las simulaciones más precisas requieren la energía de cada una de las interacciones entre electrones y átomos en el cristal en crecimiento.
Estos cálculos exhaustivos suelen requerir enormes cantidades de potencia informática, pero el software desarrollado en el Centro de Ciencia de Materiales de Estructura Predictiva (PRISMS) de la UM ofrecía un atajo.
"Nuestro software calcula la energía de algunas disposiciones atómicas y, a continuación, extrapola para predecir las energías de otras disposiciones basándose en la simetría de la estructura cristalina", explica Brian Puchala, uno de los principales desarrolladores del software e investigador científico asociado del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UM. Este atajo permitió simular el crecimiento de la dolomita en escalas de tiempo geológicas.
"Cada paso atómico llevaría normalmente más de 5.000 horas de CPU en un superordenador. Ahora, podemos hacer el mismo cálculo en 2 milisegundos en un ordenador de sobremesa", explica Joonsoo Kim, estudiante de doctorado de Ciencia e Ingeniería de Materiales y primer autor del estudio.
Las pocas zonas donde se forma dolomita hoy en día se inundan de forma intermitente y luego se secan, lo que concuerda con la teoría de Sun y Kim. Pero estas pruebas por sí solas no bastaban para ser totalmente convincentes. Yuki Kimura, catedrático de Ciencia de los Materiales de la Universidad de Hokkaido, y Tomoya Yamazaki, investigador postdoctoral del laboratorio de Kimura, pusieron a prueba la nueva teoría con una peculiaridad de los microscopios electrónicos de transmisión.
"Los microscopios electrónicos suelen utilizar haces de electrones sólo para obtener imágenes de las muestras --explica Kimura--. Sin embargo, el haz también puede dividir el agua, lo que produce un ácido que puede disolver los cristales. Normalmente esto es malo para la obtención de imágenes, pero en este caso, la disolución es exactamente lo que queríamos".
Tras colocar un diminuto cristal de dolomita en una solución de calcio y magnesio, Kimura y Yamazaki pulsaron suavemente el haz de electrones 4.000 veces durante dos horas, disolviendo los defectos. Tras los pulsos, se observó que la dolomita crecía aproximadamente 100 nanómetros, unas 250.000 veces más pequeña que una pulgada. Aunque sólo se trataba de 300 capas de dolomita, nunca antes se habían cultivado en el laboratorio más de cinco capas de dolomita.
Las lecciones aprendidas del Problema de la Dolomita pueden ayudar a los ingenieros a fabricar materiales de mayor calidad para semiconductores, paneles solares, baterías y otras tecnologías.
"En el pasado, los cultivadores de cristales que querían fabricar materiales sin defectos intentaban cultivarlos muy lentamente --señala Sun--. Nuestra teoría demuestra que se pueden cultivar materiales sin defectos rápidamente, si se disuelven periódicamente los defectos durante el crecimiento".
