Por mais de dois séculos, os cientistas tentaram, sem sucesso, cultivar dolomita em laboratório sob condições que se acredita corresponderem à forma como ela se forma na natureza. Um estudo recente finalmente mudou isso. Pesquisadores da Universidade de Michigan e da Universidade de Hokkaido, em Sapporo, no Japão, conseguiram desenvolver uma nova teoria baseada em simulações atômicas detalhadas.
Seu trabalho resolve um quebra-cabeça geológico de longa data conhecido como “problema da dolomita”. A dolomita é um mineral amplamente difundido encontrado em locais icônicos como as Montanhas Dolomitas na Itália, as Cataratas do Niágara e Hoodoo em Utah. É abundante em rochas com mais de 100 milhões de anos, mas a sua formação raramente é vista em ambientes mais modernos.
“Se entendermos como a dolomita cresce na natureza, podemos explorar novas estratégias para promover o crescimento de cristais de materiais de tecnologia avançada”, disse Wenhao Sun, professor de Ciência e Engenharia de Materiais da Dow na UM e autor correspondente do artigo publicado na Science.
Por que o crescimento da dolomita é tão lento?
Um avanço importante veio da compreensão do que destrói a dolomita durante sua formação. Na água, os minerais geralmente crescem quando os átomos estão ligados de maneira ordenada à superfície do cristal. A Dolomita se comporta de maneira diferente porque sua estrutura consiste em camadas alternadas de cálcio e magnésio.
À medida que o cristal cresce, esses dois elementos são frequentemente fixados aleatoriamente, em vez de alinhados corretamente. Isso cria defeitos estruturais que bloqueiam o crescimento adicional. O resultado é um processo muito lento. Nesse ritmo, uma única camada bem ordenada de dolomita pode levar até 10 milhões de anos para se formar.
Um mecanismo de reinicialização incorporado por natureza
Os pesquisadores perceberam que esses defeitos não são permanentes. Os átomos que estão fora do lugar são menos estáveis e têm maior probabilidade de se dissolver quando expostos à água. No ambiente natural, ciclos como as chuvas ou as mudanças das marés eliminam constantemente estas deficiências.
Com o tempo, esse processo limpa a superfície para que novas camadas devidamente posicionadas possam se formar. Em vez de levar milhões de anos para formar uma única camada, a dolomita pode acumular-se gradualmente ao longo de períodos de tempo muito mais curtos. Durante longos períodos geológicos, isso resulta em grandes depósitos vistos em formações rochosas antigas.
Simulação do crescimento de cristais em nível atômico
Para testar a ideia, a equipe precisava modelar como os átomos interagem para formar a dolomita. Isso requer o cálculo da energia envolvida nas inúmeras interações entre elétrons e átomos, o que costuma ser extremamente exigente em termos de poder computacional.
Pesquisadores do Centro de Ciência Preditiva de Materiais Estruturais (PRISMS) da UM desenvolveram um software que simplifica esta tarefa. Ele calcula energias para certos mecanismos atômicos e depois prevê outros com base na simetria da estrutura cristalina.
“Nosso software calcula energias para alguns mecanismos atômicos e depois extrapola para prever energias para outros mecanismos 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 permitiu simular o crescimento da dolomita em escalas de tempo que refletem processos geológicos reais.
“Cada etapa atômica normalmente leva mais de 5.000 horas de processador em um supercomputador. Agora podemos fazer o mesmo cálculo em 2 milissegundos em um desktop”, disse Junsu Kim, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais e primeiro autor do estudo.
Um experimento de laboratório confirma a teoria
Em ambientes naturais onde a dolomita ainda se forma hoje, ocorrem frequentemente ciclos de inundação seguidos de secagem, apoiando a teoria da equipe. No entanto, evidências experimentais diretas ainda eram necessárias.
Esta evidência vem de Yuki Kimura, professor de ciência de materiais na Universidade de Hokkaido, e Tomoyo Yamazaki, pós-doutorado em seu laboratório. Eles usaram uma propriedade incomum dos microscópios eletrônicos de transmissão para recriar o processo.
“Os microscópios eletrônicos normalmente usam feixes de elétrons apenas para obter imagens de amostras”, disse Kimura. “No entanto, o feixe também pode dividir a água, o que cria um ácido que pode causar a dissolução dos cristais. Isso geralmente é ruim para a geração de imagens, mas neste caso a dissolução é exatamente o que queríamos.”
A equipe colocou um pequeno cristal de dolomita em uma solução contendo cálcio e magnésio. Eles então usaram um feixe de elétrons de 4.000 pulsos durante duas horas, dissolvendo repetidamente os defeitos à medida que se formavam.
Após esse processo, o cristal cresceu para cerca de 100 nanômetros, ou cerca de 250 mil vezes menor que uma polegada. Esse crescimento foi de cerca de 300 camadas de dolomita. Experimentos anteriores nunca produziram mais de cinco camadas.
Implicações para a tecnologia moderna
Resolver o problema da dolomita faz mais do que explicar um mistério geológico. Ele também oferece informações sobre como controlar o crescimento de cristais em materiais avançados usados nas tecnologias atuais.
“No passado, os fabricantes de cristais que queriam produzir materiais livres de defeitos tentavam cultivá-los muito lentamente”, disse Sun. “Nossa teoria mostra que você pode cultivar rapidamente materiais livres de defeitos se dissolver periodicamente os defeitos durante o crescimento.”
Este conceito poderá ajudar a melhorar a produção de semicondutores, células solares, baterias e outras tecnologias de alto desempenho.
A pesquisa foi financiada por uma bolsa PRF New Doctoral Investigator da American Chemical Society, pelo Departamento de Energia dos EUA e pela Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência.
