Durante dos siglos, el crecimiento en laboratorio del mineral dolomita bajo condiciones naturales ha sido un enigma para los científicos. Un problema que imposibilitaba su cultivación en laboratorio. Tras dos siglos de intentos fallidos, la colaboración entre investigadores de la Universidad de Michigan y la Universidad de Hokkaido en Sapporo, Japón, han resuelto el problema.
Lo han logrado gracias a un enfoque innovador basado en simulaciones atómicas, tal y como revela un estudio publicado en Science. Este avance no solo resuelve un misterio geológico de larga duración, sino que también abre la puerta a la creación de nuevos materiales cristalinos. La dolomita, descrita por primera vez en 1792 por el naturalista suizo Nicolas de Saussure, es un carbonato de calcio y magnesio presente en montañas, acantilados y sedimentos marinos, pero su formación en laboratorio había sido esquiva hasta ahora.
Simulación atómica
Este método permitió a los investigadores superar el conocido "Problema del Dolomita", enfrentando el desafío de recrear condiciones geológicamente realistas para el crecimiento de este mineral. Resulta que el secreto para el crecimiento exitoso de la dolomita en laboratorio se encuentra en el uso de un software avanzado, capaz de simular cómo los átomos forman una red cristalina estable, considerando además los cambios en la estructura atómica a lo largo del tiempo. Es decir, predecir las circunstancias naturales que necesitarían para crecer, para así replicarlas sin errores.
A diferencia de simulaciones anteriores, de esta forma se pueden eliminar los defectos en la estructura mineral a medida que crece y llevar la creación del mineral a buen puerto. Los científicos señalan que cuando se forman minerales en el agua, los átomos generalmente se depositan limpiamente en el borde de la superficie del cristal en crecimiento. Sin embargo, el borde de crecimiento de la dolomita está formado por hileras alternas de calcio y magnesio.
Simulando escalas de tiempo geológicas
En el agua, estos minerales se adhieren aleatoriamente al cristal de dolomita en crecimiento, alojándose en la mayoría de ocasiones en el lugar equivocado y creando defectos que impiden que se formen capas adicionales de dolomita. Estos ralentizaban tanto su crecimiento que se hubieran necesitado 10 millones de años para formar solo una capa de dolomita ordenada.
Debido a que los átomos desordenados son menos estables, son los primeros en disolverse cuando el mineral se lava con agua. El lavado repetido de estos defectos (con lluvia o ciclos de marea) permite que se forme una capa de dolomita en sólo cuestión de años. Por eso en la naturaleza sí hay hasta montañas de este mineral. Sin embargo, en el laboratorio no se puede depender de tanto tiempo.
"Cada paso atómico normalmente requeriría más de 5.000 horas de CPU en una supercomputadora. Ahora podemos hacer el mismo cálculo en 2 milisegundos en un escritorio", señaló Joonsoo Kim, primer autor del estudio, en el documento.
Cultivo de cristales
La investigación reveló que fluctuaciones en las condiciones físicas y químicas son clave para el crecimiento de minerales como la dolomita. El proceso implicó colocar finas láminas de colocar un pequeño cristal de dolomita en una solución de calcio y magnesio, y utilizar el haz de electrones de un microscopio electrónico de transmisión para disolver los defectos. Después de los pulsos, se observó que la dolomita crecía aproximadamente 100 nanómetros. Aunque se trataba de sólo 300 capas del mineral, nunca antes se habían cultivado más de cinco capas de dolomita en el laboratorio.
Este proceso, repetido varias veces a 80 °C, permitió el crecimiento de cientos de capas de dolomita en pocas horas. Este método podría ser aplicable no solo al crecimiento de este mineral sino también a otros también difíciles de cultivar. Revolucionando así campos como los semiconductores o los paneles solares.
Implicaciones en el sector tecnológico
El éxito de este proyecto no solo es un hito en la geología, sino que también tiene importantes implicaciones en otras áreas de la ciencia de materiales. La técnica desarrollada para crecer dolomita sin defectos en el laboratorio sugiere que materiales defectuosos podrían crecer rápidamente si se disuelven periódicamente los defectos durante el crecimiento. Esta teoría podría ayudar a fabricar materiales de mayor calidad para semiconductores, paneles solares, baterías y otras tecnologías.
