Por mais de dois séculos, os cientistas tentaram, sem sucesso, cultivar dolomita em laboratório em condições que correspondam à sua formação natural. Um estudo recente finalmente mudou isso. Pesquisadores da Universidade de Michigan e da Universidade de Hokkaido em Sapporo, no Japão, desenvolveram com sucesso uma nova teoria baseada em simulações atômicas detalhadas.
Seu trabalho resolveu um antigo quebra-cabeça geológico conhecido como “problema da dolomita”. A dolomita é um mineral amplamente difundido encontrado em locais icônicos como as Montanhas Dolomitas da Itália, as Cataratas do Niágara e a Floresta de Pedra de Utah. É abundante em rochas com mais de 100 milhões de anos, mas a sua formação raramente é vista em ambientes mais recentes.
“Se entendermos como a dolomita cresce na natureza, poderemos aprender novas estratégias para promover o crescimento de cristais em materiais tecnológicos modernos”, disse Wenhao Sun, professor de ciência e engenharia de materiais da Dow Early Career na Universidade de Michigan e autor correspondente do artigo publicado na Science.
Por que a dolomita cresce tão lentamente?
O principal avanço veio da compreensão dos fatores prejudiciais quando a dolomita se forma. Na água, os minerais normalmente crescem à medida que os átomos se fixam às superfícies cristalinas de maneira ordenada. A Dolomita se comporta de maneira diferente porque sua estrutura é composta por camadas alternadas de cálcio e magnésio.
À medida que o cristal cresce, os dois elementos geralmente se fixam aleatoriamente em vez de se alinharem corretamente. Isto cria falhas estruturais que impedem um maior crescimento. O resultado é um processo extremamente lento. Nesse ritmo, poderia levar até 10 milhões de anos para formar uma camada ordenada de dolomita.
Mecanismo de reinicialização integrado da natureza
Os pesquisadores perceberam que esses defeitos não eram permanentes. Os átomos deslocados são menos estáveis e têm maior probabilidade de se dissolver quando expostos à água. Num ambiente natural, ciclos como as chuvas ou as mudanças das marés podem repetidamente lavar estas áreas defeituosas.
Com o tempo, esse processo limpa a superfície, permitindo a formação de novas camadas corretamente alinhadas. Em vez de levar milhões de anos para formar uma única camada, a dolomita pode se formar gradualmente durante um período mais curto de tempo. Ao longo do tempo geológico, isso resultou em grandes depósitos de sedimentos em formações rochosas antigas.
Simule o crescimento do cristal no nível atômico
Para testar a ideia, a equipe precisava simular como os átomos interagem durante a formação da dolomita. Isso requer o cálculo da energia envolvida em inúmeras interações entre elétrons e átomos, o que muitas vezes exige muito do poder computacional.
Pesquisadores do Centro de Ciência Preditiva de Materiais Estruturais (PRISMS) da Universidade de Michigan desenvolveram um software que pode simplificar esse desafio. Ele calcula a energia de certos arranjos atômicos e depois prevê as energias de outros arranjos atômicos com base na simetria da estrutura cristalina.
“Nosso software calcula a energia de certos arranjos atômicos e depois infere a energia de outros arranjos com base na simetria da estrutura cristalina”, disse Brian Puchala, um dos principais desenvolvedores do software e pesquisador associado do Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais da UM.
Esta abordagem pode simular o crescimento da dolomita em escalas de tempo que refletem processos geológicos reais.
“Em supercomputadores, cada passo atômico normalmente leva mais de 5.000 horas de CPU. Agora, podemos completar o mesmo cálculo em 2 milissegundos em um desktop, “disse Joonsoo Kim, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais e primeiro autor do estudo.
Experimentos de laboratório confirmam a teoria
Os ambientes naturais em que a dolomita ainda se forma hoje muitas vezes passam por ciclos de inundação e secagem, o que apoia a teoria da equipe. No entanto, evidências experimentais diretas ainda são necessárias.
A evidência vem de Yuki Kimura, professor de ciência dos materiais na Universidade de Hokkaido, e Tomoya Yamazaki, pesquisador de pós-doutorado em seu laboratório. Eles aproveitaram uma propriedade incomum da microscopia eletrônica de transmissão para recriar esse processo.
“Os microscópios eletrônicos normalmente usam feixes de elétrons para obter imagens de amostras”, disse Kimura. “No entanto, o feixe também divide a água, produzindo ácidos que fazem com que os cristais se dissolvam. Normalmente isso não é bom para imagens, mas neste caso, a dissolução é exatamente o que queremos.”
A equipe de pesquisa colocou um pequeno cristal de dolomita em uma solução contendo cálcio e magnésio. Eles então pulsaram o feixe de elétrons 4.000 vezes durante duas horas, dissolvendo repetidamente os defeitos que se formaram.
Através deste processo, os cristais crescem até cerca de 100 nanômetros, cerca de 250 mil vezes menores que uma polegada. Este crescimento representa aproximadamente 300 camadas de dolomita. Experimentos anteriores nunca produziram mais de cinco camadas.
Impacto na tecnologia moderna
Resolver o problema da dolomita é mais do que apenas explicar um mistério geológico. Ele também fornece insights sobre como controlar o crescimento de cristais de materiais avançados usados na tecnologia moderna.
“No passado, os produtores de cristal que queriam fabricar materiais sem defeitos tentavam cultivá-los muito lentamente”, disse Sun. “Nossa teoria mostra que se os defeitos forem dissolvidos regularmente durante o processo de crescimento, materiais livres de defeitos podem crescer rapidamente.”
O conceito poderá ajudar a melhorar a produção de semicondutores, painéis solares, baterias e outras tecnologias de alto desempenho.
A pesquisa foi financiada pela American Chemical Society PRF New Doctoral Fellowship, pelo Departamento de Energia dos EUA e pela Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência.
