Por mais de dois séculos, os cientistas tentaram, sem sucesso, cultivar dolomita em laboratório sob condições que correspondam 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 muito difundido encontrado em locais icônicos como as montanhas Dolomitas da Itália, as Cataratas do Niágara e os Hoodoos de Utah. É abundante em rochas com mais de 100 milhões de anos, mas raramente se forma em ambientes recentes.
“Se entendermos como a dolomita cresce na natureza, podemos aprender novas técnicas para o crescimento de cristais de materiais tecnológicos avançados”, disse Wenhao Sun, professor de ciência e engenharia de materiais da Dow Early Career na UM e autor correspondente do artigo publicado na Science.
Por que o crescimento da dolomita é tão lento?
Os principais avanços vieram da compreensão do que perturba a formação de dolomita. Na água, os minerais geralmente crescem quando os átomos estão ligados à superfície de um cristal 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, esses dois elementos são frequentemente fixados aleatoriamente, em vez de alinhados corretamente. Isso cria defeitos estruturais que impedem um maior crescimento. O resultado é um processo extremamente lento. Nesse ritmo, uma única camada ordenada de dolomita poderia levar até 10 milhões de anos para se formar.
Mecanismo de reinicialização integrado da natureza
Os pesquisadores perceberam que esses defeitos não eram permanentes. Átomos fora do lugar são menos estáveis e têm maior probabilidade de se dissolver quando expostos à água. Em ambientes naturais, ciclos como chuvas ou mudanças de marés eliminam repetidamente essas áreas falhadas.
Com o tempo, esse processo limpa a superfície para que novas camadas devidamente alinhadas possam se formar. Em vez de levar milhões de anos para que uma única camada se forme, a dolomita pode acumular-se lentamente em intervalos muito mais curtos. Durante longos períodos geológicos, isso levou a 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 na forma de dolomita. Isto requer o cálculo das energias envolvidas em inúmeras interações entre elétrons e átomos, o que normalmente é muito exigente em termos de poder computacional.
Pesquisadores do Centro de Ciência Preditiva de Materiais Estruturais (PRISMS) da UM desenvolveram um software que simplifica esse desafio. Ele calcula energias para certos arranjos atômicos e depois prevê outros com base na simetria da estrutura cristalina.
“Nosso software calcula energias para alguns arranjos atômicos e depois as extrapola para prever energias para 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 tornou possível simular o crescimento da dolomita ao longo de períodos de tempo que refletem processos geológicos reais.
“Cada passo atômico normalmente leva mais de 5.000 horas de CPU em um supercomputador. Agora, podemos fazer o mesmo cálculo em 2 milissegundos em um desktop, “disse Junsu Kim, estudante de doutorado no Departamento de Ciência e Engenharia de Materiais e primeiro autor do estudo.
Testes de laboratório confirmam a teoria
Os ambientes naturais onde a dolomita ainda se forma hoje muitas vezes secam após os ciclos de inundação, o que apoia a teoria da equipe. No entanto, evidências experimentais diretas ainda eram necessárias.
A evidência vem do professor de física da Universidade de Hokkaido, Yuki Kimura, e de Tomoya Yamazaki, pesquisador de pós-doutorado em seu laboratório. Eles usaram uma propriedade incomum do microscópio eletrônico de transmissão para recriar o processo.
“Os microscópios eletrônicos geralmente usam o feixe de elétrons apenas para obter amostras da imagem”, disse Kimura. “No entanto, o feixe também pode dividir a água, o que cria ácido que pode dissolver o cristal. Normalmente isso é ruim para a geração de imagens, mas neste caso, a dissolução era exatamente o que queríamos.”
A equipe colocou um pequeno cristal de dolomita em uma solução contendo cálcio e magnésio. Eles então pulsaram o feixe de elétrons 4.000 vezes ao longo de duas horas, dissolvendo repetidamente os defeitos à medida que se formavam.
Após esse processo, o cristal se torna cerca de 250 mil vezes menor que cerca de 100 nanômetros, ou uma polegada. Esta subida representa 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 fornece informações sobre como o crescimento de cristais pode ser controlado em materiais avançados usados na tecnologia moderna.
“No passado, os produtores de cristal que queriam fabricar materiais sem defeitos tentavam crescer muito lentamente”, disse Sun. “Nossa teoria mostra que você pode cultivar materiais livres de defeitos mais rapidamente, se dissolver gradualmente os defeitos durante o crescimento.”
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 Investigator Grant, pelo Departamento de Energia dos EUA e pela Sociedade Japonesa para a Promoção da Ciência.
