Descoberta científica resolve mistério de mineral que intriga a ciência há 200 anos

Uma descoberta científica está resolvendo um mistério que há 200 anos intriga a ciência dos materiais. Um mineral chamado dolomita, presente em muitas formações rochosas antigas, até então não podia ser reproduzido em laboratório, apesar dos esforços dos cientistas para recriar as condições em que ele se forma na natureza.

Agora, uma equipe de pesquisadores encontrou finalmente a solução para esse problema, aprendendo como acelerar o crescimento dos cristais de dolomita.

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Importância

A dolomita é um mineral tão importante que uma cordilheira inteira na Itália possui seu nome. Além das montanhas Dolomitas nos Alpes italianos, a dolomita está presente nas White Cliffs of Dover, nos hudus do Utah e em outras rochas com mais de 100 milhões de anos.

Na verdade, ela representa quase 30% dos minerais do tipo carbonato presentes na crosta terrestre, mas é notavelmente ausente em rochas mais recentes.

Apesar de todas as tentativas de recriar suas condições de crescimento natural em laboratório, os cientistas falharam em produzir cristais de dolomita por dois séculos. Para resolver esse mistério, eles tiveram que voltar aos conceitos básicos.

Compreendendo o crescimento da dolomita

Ao entender como a dolomita cresce na natureza, espera-se que se possam descobrir novas estratégias para promover o crescimento de cristais em materiais tecnológicos modernos;Essa compreensão pode abrir portas para aplicações importantes, como a fabricação de componentes essenciais para semicondutores, painéis solares e baterias;Os cristais de dolomita são formados ao longo de períodos geológicos pela acumulação de camadas alternadas de cálcio e magnésio;Esse processo, apesar de simples, requer muito tempo, cerca de dez milhões de anos para formar apenas uma camada de rocha dolomítica ordenada;Isso ocorre porque, na presença de água, os átomos de cálcio e magnésio se unem à borda de crescimento do cristal de forma aleatória, muitas vezes no lugar errado;Esse defeito impede a formação correta das camadas alternadas.

Confira, abaixo, a simulação do crescimento da dolomita:

Descobrindo como acelerar o crescimento

De acordo com o IFL Science, para superar esse obstáculo, a equipe de pesquisadores desenvolveu software poderoso que simulou todas as possíveis interações entre átomos em crescimento de cristais de dolomita.

Cada etapa atômica normalmente levaria mais de cinco mil horas de CPU em um supercomputador. Agora, podemos fazer o mesmo cálculo em dois milissegundos em um desktop.

Joonsoo Kim, primeiro autor do estudo

Eles descobriram que a dolomita poderia crescer mais rapidamente se fosse submetida a ciclos em que houvesse menor concentração de cálcio e magnésio ao redor.

A maioria dos cristais cresce bem em solução supersaturada, ou seja, onde seus componentes atômicos estão presentes em altos níveis. No caso da dolomita, entretanto, essa supersaturação leva a mais defeitos e desacelera o crescimento do cristal.

Para testar essa teoria, a equipe consultou colaboradores da Universidade de Hokkaido (Japão) e desenvolveu experimento engenhoso utilizando microscópio eletrônico de transmissão.

Os microscópios eletrônicos geralmente usam feixes de elétrons apenas para obter imagens de amostras. No entanto, o feixe também pode dividir a água, o que produz ácido que pode causar a dissolução dos cristais. Geralmente, isso é ruim para a geração de imagens, mas, neste caso, a dissolução é exatamente o que queríamos.

Yuki Kimura, professor de ciência de materiais na Universidade de Hokkaido (Japão)

Um pequeno cristal de dolomita em solução de cálcio e magnésio foi exposto ao feixe de elétrons, que foi pulsado quatro mil vezes ao longo de duas horas para começar a dissolver o cristal. Quando o feixe é desligado, a solução circundante se ajusta rapidamente para estado mais saturado.

Após esse tratamento, a equipe observou com entusiasmo que o cristal cresceu aproximadamente 100 nanômetros, o que representa 300 camadas recém-formadas de dolomita. Esse feito supera em muito o máximo alcançado anteriormente em laboratório, que era de apenas cinco camadas.

Apenas cerca de dois bilionésimos de litro desta solução de cálcio e magnésio foi adicionada ao porta-amostras para microscópio eletrônico de transmissão (fundo) (Imagem: Wenhao Sun/Universidade de Michigan)

Novas aplicações tecnológicas

Essa descoberta não apenas resolve o mistério da dolomita, mas também abre portas para o estudo dos processos geoquímicos que influenciaram a formação massiva desse mineral no mundo natural.

“Esta descoberta abre portas para a investigação do processo geoquímico que influenciou a formação maciça de dolomita no mundo natural”, escreveu Juan Manuel García-Ruiz, se envolveu diretamente no estudo, em Perspectiva que acompanha a pesquisa.

Além disso, aprender a cultivar cristais sem defeitos de forma rápida pode ter aplicações importantes para a fabricação de diversos componentes essenciais para produtos, como semicondutores, painéis solares e baterias.

O estudo foi publicado na Science.

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