Il professor Wenhao Sun mostra la dolomite dalla sua collezione personale di rocce. Sun studia la crescita dei cristalli dei metalli dal punto di vista della scienza dei materiali. Comprendendo come gli atomi si uniscono per formare minerali naturali, ritiene che possiamo scoprire i meccanismi di base della crescita dei cristalli, che possono essere utilizzati per creare materiali funzionali in modo più rapido ed efficiente. Crediti: Marcin Szczybanski, narratore multimediale senior, Michigan Engineering.
Per creare montagne di dolomite, un minerale comune, è necessario scioglierlo periodicamente. Questo concetto apparentemente contraddittorio può contribuire a rendere i nuovi prodotti impeccabili Semiconduttori E altro ancora.
Per due secoli, gli scienziati non sono riusciti a produrre in laboratorio un minerale comune in condizioni che si riteneva si fossero formati naturalmente. Ora, un team di ricercatori dell’Università del Michigan e Università dell'Hokkaido A Sapporo, il Giappone ha finalmente raggiunto questo obiettivo, grazie a una nuova teoria sviluppata attraverso simulazioni atomiche.
Il loro successo risolve un mistero geologico di lunga data chiamato “problema delle Dolomiti”. La dolomite – un importante minerale trovato nelle montagne dolomitiche in Italia, nelle cascate del Niagara e a Hoodoo nello Utah – è abbondante nelle rocce Più vecchio di 100 milioni di anniÈ però quasi assente nelle formazioni giovani.
Wenhao Sun, professore assistente Dow di scienza e ingegneria dei materiali presso l'Università del Michigan, e Junsu Kim, uno studente di dottorato in scienza dei materiali e ingegneria nel gruppo di ricerca del professor Sun, mostrano rocce dolomitiche dalla collezione del loro laboratorio. I due scienziati hanno sviluppato una teoria che potrebbe finalmente spiegare un mistero vecchio di due secoli sull’abbondanza di dolomite sulla Terra. Crediti: Marcin Szczybanski, narratore multimediale senior, Michigan Engineering.
L’importanza di comprendere la crescita delle dolomiti
“Se comprendiamo come la dolomite cresce in natura, potremmo imparare nuove strategie per migliorare la crescita dei cristalli dei moderni materiali tecnologici”, ha detto recentemente Wenhao Sun, professore di scienza e ingegneria dei materiali alla Dow University e autore corrispondente dell'articolo. Pubblicato in Scienze.
Il segreto per coltivare finalmente la dolomite in laboratorio è stato rimuovere i difetti nella struttura del minerale man mano che cresceva. Quando i minerali si formano nell'acqua, gli atomi vengono solitamente depositati ordinatamente sul bordo della superficie cristallina in crescita. Tuttavia, il bordo di crescita della dolomite è costituito da file alternate di calcio e magnesio. Nell'acqua, il calcio e il magnesio si attaccano in modo casuale al cristallo di dolomite in crescita, spesso depositandosi nel posto sbagliato e creando difetti che impediscono la formazione di ulteriori strati di dolomite. Questo disturbo rallenta la crescita della dolomite, il che significa che ci vorrebbero 10 milioni di anni per creare un solo strato di dolomite ordinata.
Struttura del bordo in cristallo dolomite. Righe di magnesio (palline arancioni) si alternano a file di calcio (palline blu), intervallate da carbonati (strutture nere). Le frecce rosa mostrano le direzioni di crescita dei cristalli. Il calcio e il magnesio spesso si legano al bordo di crescita in modo errato, arrestando la crescita della dolomite. Fonte immagine: Junsu Kim, dottorando in Scienza e ingegneria dei materiali, Università del Michigan.
Fortunatamente, questi difetti non vengono risolti. Poiché gli atomi disordinati sono meno stabili degli atomi nella posizione corretta, sono i primi a dissolversi quando il metallo viene lavato con acqua. Il lavaggio ripetuto di queste faglie, ad esempio con la pioggia o i cicli delle maree, consente la formazione dello strato di dolomite nel giro di pochi anni. Nel corso del tempo geologico, le montagne dolomitiche possono accumularsi.
Tecniche di simulazione avanzate
Per simulare accuratamente la crescita della dolomite, i ricercatori dovevano calcolare quanto forte o debolmente gli atomi fossero attaccati alla superficie della dolomite esistente. Simulazioni più accurate richiedono l'energia di ciascuna interazione tra elettroni e atomi nel cristallo in crescita. Calcoli così esaustivi richiedono in genere enormi quantità di potenza di calcolo, ma il software sviluppato presso il Centro per la scienza predittiva dei materiali strutturali (PRISMS) dell’Università del Maryland ha fornito una scorciatoia.
“Il nostro software calcola l'energia di alcune disposizioni atomiche e poi le estrapola per prevedere le energie di altre disposizioni in base alla simmetria della struttura cristallina”, ha affermato Brian Buchala, uno degli sviluppatori principali del programma e ricercatore associato presso l'Università del dipartimento del Maryland. Scienze dei materiali e Ingegneria.
Questa scorciatoia ha permesso di simulare la crescita della dolomite su scale temporali geologiche.
La dolomite è un minerale così comune nelle rocce antiche da formare montagne come l'omonima catena montuosa nel nord Italia. Ma la dolomite è rara nelle rocce più giovani e non può essere prodotta in laboratorio nelle condizioni in cui si è formata naturalmente. Una nuova teoria ha aiutato gli scienziati a coltivare il minerale in laboratorio a temperatura e pressione normali per la prima volta e potrebbe aiutare a spiegare la scarsità di dolomite nelle rocce più giovani. Fonte immagine: Francesca.z73 tramite Wikimedia Commons.
“Ogni passo atomico richiede in genere più di 5.000 ore di CPU su un supercomputer. Ora possiamo fare lo stesso calcolo in 2 millisecondi su un desktop”, ha affermato Junsu Kim, studente di dottorato in scienza e ingegneria dei materiali e primo autore dello studio.
Applicazione pratica e verifica teorica
Le poche aree in cui oggi si forma la dolomite vengono inondate in modo intermittente e successivamente si prosciugano, il che concorda bene con la teoria di Sun e Kim. Ma tali prove da sole non erano sufficienti per essere del tutto convincenti. Entrano Yuki Kimura, un professore di scienza dei materiali dell'Università di Hokkaido, e Tomoya Yamazaki, un ricercatore post-dottorato nel laboratorio di Kimura. Hanno testato la nuova teoria utilizzando microscopi elettronici a trasmissione.
“I microscopi elettronici in genere utilizzano solo fasci di elettroni per visualizzare i campioni”, ha affermato Kimura. “Tuttavia, la trave può anche dividere l'acqua, rendendo… acido Ciò può causare la dissoluzione dei cristalli. Di solito questo è un aspetto negativo per la fotografia, ma in questo caso la scomposizione è esattamente ciò che volevamo.
Dopo aver collocato un piccolo cristallo di dolomite in una soluzione di calcio e magnesio, Kimura e Yamazaki hanno fatto pulsare delicatamente il fascio di elettroni 4.000 volte nell'arco di due ore, rimuovendo i difetti. Dopo gli impulsi, la dolomite è stata vista crescere di circa 100 nanometri, circa 250.000 volte più piccola di un pollice. Anche se si trattava solo di 300 strati di dolomite, in precedenza in laboratorio non erano mai stati coltivati più di cinque strati di dolomite.
Le lezioni apprese dal problema della dolomite potrebbero aiutare gli ingegneri a produrre materiali di qualità superiore per semiconduttori, pannelli solari, batterie e altre tecnologie.
“In passato, i coltivatori di cristalli che volevano produrre materiali impeccabili provavano a coltivarli molto lentamente”, ha detto Sun. “La nostra teoria mostra che è possibile coltivare rapidamente materiali privi di difetti, se si eliminano periodicamente i difetti durante la crescita.”
Riferimento: “La fusione consente la crescita di cristalli di dolomite in condizioni quasi ambientali” di Junsu Kim, Yuki Kimura, Brian Buchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker e Wenhao Sun, 23 novembre 2023, Scienze.
doi: 10.1126/science.adi3690
La ricerca è stata finanziata da un New Doctoral Investigator Grant dell’American Chemical Society PRF, del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e della Japan Society for the Promotion of Science.
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