«Problema de las dolomitas»: los científicos resuelven un misterio geológico de 200 años de antigüedad

SciTechDaily

Dolomitas de cerca

El profesor Wenhao Sun muestra dolomita de su colección personal de rocas. Sun estudia el crecimiento cristalino de los minerales desde la perspectiva de la ciencia de los materiales. Al comprender cómo se unen los átomos para formar minerales naturales, creen que podemos descubrir mecanismos fundamentales de crecimiento de cristales que pueden usarse para fabricar materiales funcionales de manera más rápida y eficiente. Crédito: Marcin Szepanski, narrador multimedia principal, Michigan Engineering.

Para crear montañas a partir del mineral común dolomita, este debe derretirse periódicamente. Este concepto aparentemente contradictorio ayuda a que el nuevo sistema esté libre de errores.

Semiconductores
Los semiconductores son un tipo de material cuya conductividad eléctrica se encuentra entre un conductor (como el cobre) y un aislante (como el caucho). Los semiconductores se utilizan en una amplia gama de dispositivos electrónicos, incluidos transistores, diodos, células solares y circuitos integrados. La conductividad eléctrica de un semiconductor se puede controlar agregando impurezas al material mediante un proceso llamado dopaje. El silicio es el material más utilizado para dispositivos semiconductores, pero en algunas aplicaciones se utilizan otros materiales como el arseniuro de galio y el fosfuro de indio.

» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>Semiconductores Un poco más.

Durante dos siglos, los científicos no han logrado cultivar un mineral común en el laboratorio en condiciones que se cree que se formaron naturalmente. Ahora, un equipo de investigadores de la Universidad de Michigan y

Universidad de Hokkaido
Fundada en 1876 como Sapporo Agriculture College, la Universidad de Hokkaido (Hokkaido Daigaku o Hokudai) es una universidad nacional japonesa ubicada en Sapporo, Hokkaido. Ha sido seleccionada por el gobierno japonés como una universidad de primer nivel en el Proyecto Top Global Universities.

» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>Universidad de Hokkaido En Sapporo, Japón, Japón finalmente lo logró, gracias a una nueva teoría desarrollada a partir de simulaciones nucleares.

Su éxito resuelve un misterio geológico de larga data llamado «problema de la dolomita». La dolomita, un mineral importante en las montañas Dolomitas de Italia, las Cataratas del Niágara, los Acantilados Blancos de Dover y los Hoodoos de Utah, es muy abundante en las rocas. Más de 100 millones de añosPero en las formaciones más jóvenes está casi ausente.

Wenhao Sun y Junsoo Kim

Wenhao Sun, profesor asistente de ciencia e ingeniería de materiales de Dow Early Career en la Universidad de Michigan, y Junsoo Kim, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales en el grupo de investigación del profesor Sun, muestran rocas de dolomita de la colección de su laboratorio. Dos científicos finalmente han desarrollado una teoría que explica un enigma de dos siglos de antigüedad en torno a la abundancia de dolomita en la Tierra. Crédito: Marcin Szepanski, narrador multimedia principal, Michigan Engineering.

Importancia de comprender el desarrollo de la dolomita

«Si entendemos cómo crece la dolomita en la naturaleza, podemos aprender nuevas técnicas para promover el crecimiento de cristales de materiales técnicos modernos», dijo Wenhao Sun, profesor de ciencia e ingeniería de materiales de Dow Early Career en la UM y autor correspondiente del artículo. Publicado en ciencia.

En última instancia, el secreto para cultivar dolomita en el laboratorio es eliminar los defectos en la estructura mineral a medida que crece. Cuando se forman minerales en agua, los átomos generalmente se depositan limpiamente en el borde de la superficie del cristal en crecimiento. Sin embargo, el margen de crecimiento de la dolomita contiene hileras alternas de calcio y magnesio. En el agua, el calcio y el magnesio se adhieren a cristales de dolomita que crecen aleatoriamente, a menudo permaneciendo en el lugar equivocado y creando defectos que impiden que se formen capas adicionales de dolomita. Este desorden ralentiza el crecimiento de la dolomita a un ritmo lento, lo que significa que se necesitan 10 millones de años para formar solo una capa de dolomita ordenada.

Gráfico de estructura atómica de dolomita.

Estructura de borde de cristal de dolomita. Las líneas de magnesio (esferas anaranjadas) se alternan con líneas de calcio (esferas azules) y se cruzan con carbonato (estructuras negras). Las flechas rosadas muestran las direcciones de crecimiento de los cristales. El calcio y el magnesio normalmente no se adhieren bien al borde de crecimiento, lo que detiene el crecimiento de la dolomita. Crédito: Joonsoo Kim, estudiante de doctorado, Ciencia e Ingeniería de Materiales, Universidad de Michigan.

Afortunadamente, estos errores no están bloqueados. Los átomos desorganizados son menos estables que los átomos correctamente posicionados y son los primeros en disolverse cuando el mineral se lava con agua. El lavado repetido de estas fallas (por ejemplo, con lluvias o ciclos de mareas) permite que la capa de dolomita se forme en unos pocos años. A lo largo del tiempo geológico, las montañas de dolomías pueden acumularse.

Técnicas avanzadas de simulación.

Para simular con precisión el crecimiento de la dolomita, los investigadores deben determinar con qué fuerza o flojedad se adhieren los átomos a la superficie de la dolomita existente. Las simulaciones más precisas requieren la energía de cada interacción entre los electrones y los átomos en el cristal en crecimiento. Estos cálculos completos normalmente requieren grandes cantidades de potencia informática, pero el software desarrollado en el Centro de Ciencia de Materiales de Estructura Predictiva (PRISMS) de la UM ofreció un atajo.

«Nuestro software calcula energías para ciertos sistemas atómicos, luego las extrapola para predecir energías para otros sistemas basándose en la simetría de la estructura cristalina», dijo Brian Puchala, uno de los principales desarrolladores del software y científico investigador asistente en el departamento de la UM. Ciencia e Ingeniería de los Materiales.

Ese atajo hizo posible simular el crecimiento de la dolomita en escalas de tiempo geológico.

Dolomitas Italia

La dolomita es un mineral común en las rocas antiguas que forman montañas como la cadena montañosa de este nombre en el norte de Italia. Pero la dolomita es rara en rocas más jóvenes y no se puede producir en el laboratorio en las condiciones en las que se formó naturalmente. La nueva teoría ayudó a los científicos a cultivar el mineral en el laboratorio por primera vez a temperaturas y presiones normales, y ayudó a explicar la falta de dolomita en rocas más jóvenes. Crédito de la foto: Francesca.z73 vía Wikimedia Commons.

“Cada paso atómico normalmente requiere 5.000 horas de CPU en una supercomputadora. Ahora podemos hacer el mismo cálculo en una computadora de escritorio en 2 milisegundos”, dijo Joonsoo Kim, estudiante de doctorado en ciencia e ingeniería de materiales y primer autor del estudio.

Aplicación práctica y prueba de la teoría.

Algunas áreas donde se formó dolomita hoy se inundan intermitentemente y luego se secan, lo que encaja bien con la teoría de Sun y Kim. Pero esa evidencia no fue suficiente para ser completamente convincente. Ingresan el profesor de ciencia de materiales de la Universidad de Hokkaido, Yuki Kimura, y Tomoya Yamazaki, investigador postdoctoral en el laboratorio de Kimura. Probó la nueva teoría con el espectro de los microscopios electrónicos de transmisión.

«Los microscopios electrónicos suelen utilizar haces de electrones para obtener imágenes de muestras», dijo Kimura. «Sin embargo, el rayo también divide el agua, lo cual no hace

Ácido
Cualquier sustancia que se disuelva en agua, con un pH inferior a 7,0, da o dona un ion hidrógeno.

» data-gt-translate-attributes=»({«attribute»:»data-cmtooltip», «format»:»html»})» tabindex=»0″ role=»link»>Ácido Eso puede hacer que los cristales se disuelvan. Normalmente, esto es malo para las imágenes, pero en este caso, la descarga es exactamente lo que queremos.

Después de colocar un pequeño cristal de dolomita en una solución de calcio y magnesio, Kimura y Yamazaki pulsaron lentamente un haz de electrones 4.000 veces durante dos horas, disolviendo los defectos. Después de los pulsos, la dolomita crece hasta aproximadamente 100 nanómetros, unas 250.000 veces más pequeña que una pulgada. Aunque solo eran 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 mejor calidad para semiconductores, paneles solares, baterías y otras tecnologías.

«En el pasado, los cultivadores de cristales que querían hacer cosas sin defectos intentaban hacerlos crecer muy lentamente», dijo Sun. «Nuestra teoría muestra que se pueden cultivar rápidamente materiales libres de defectos si se disuelven periódicamente los defectos durante el crecimiento».

Cita: “La disolución permite el crecimiento de cristales de dolomita en condiciones cercanas a la ambiental” por Junsoo Kim, Yuki Kimura, Brian Puchala, Tomoya Yamazaki, Udo Becker y Wenhao Sun, 23 de noviembre de 2023. ciencia.
DOI: 10.1126/ciencia.adi3690

La investigación fue apoyada por una beca para nuevos investigadores doctorales PRF de la Sociedad Química Estadounidense, el Departamento de Energía de EE. UU. y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia.

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