Por mais de dois séculos, cientistas tentaram e falharam em cultivar dolomita em laboratório sob condições consideradas semelhantes às de sua formação na natureza. Um estudo recente finalmente mudou isso. Pesquisadores da Universidade de Michigan e da Universidade de Hokkaido em Sapporo, Japão, conseguiram desenvolver uma nova teoria baseada em simulações atômicas detalhadas.
O trabalho deles resolve um enigma geológico de longa data conhecido como o “Problema da Dolomita.” A dolomita é um mineral amplamente encontrado em locais icônicos, como as montanhas Dolomitas na Itália, as Cataratas do Niágara e os Hoodoos de Utah. É abundante em rochas com mais de 100 milhões de anos, mas raramente é observada se formando em ambientes mais recentes.
“Se entendermos como a dolomita cresce na natureza, poderemos aprender novas estratégias para promover o crescimento de cristais de materiais tecnológicos modernos”, disse Wenhao Sun, Professor Assistente de Ciência dos Materiais e Engenharia da U-M e autor correspondente do artigo publicado na Science.
Por que o Crescimento da Dolomita é Tão Lento
A principal descoberta veio da compreensão do que interrompe a formação da dolomita. Na água, os minerais normalmente crescem à medida que os átomos se unem de maneira ordenada à superfície de um cristal. 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 frequentemente se juntam de forma aleatória em vez de se alinhar corretamente. Isso cria defeitos estruturais que bloqueiam o crescimento adicional. O resultado é um processo extremamente lento. A esse ritmo, a formação de uma única camada bem ordenada de dolomita pode levar até 10 milhões de anos.
Mecanismo de Resete embutido na Natureza
Os pesquisadores perceberam que esses defeitos não são permanentes. Os átomos que estão fora de lugar são menos estáveis e mais propensos a se dissolver quando expostos à água. Em ambientes naturais, ciclos como chuvas ou mudanças de maré repetidamente lavam essas áreas falhas.
Com o tempo, esse processo limpa a superfície para que novas camadas, devidamente organizadas, possam se formar. Em vez de levar milhões de anos para uma única camada, a dolomita pode acumular-se gradualmente em períodos muito mais curtos. Ao longo de longos períodos geológicos, isso leva aos grandes depósitos vistos em formações rochosas antigas.
Simulando o Crescimento de Cristais em Nível Atômico
Para testar sua ideia, a equipe precisou modelar como os átomos interagem à medida que a dolomita se forma. Isso requer o cálculo da energia envolvida em inúmeras interações entre elétrons e átomos, o que normalmente é extremamente exigente em termos de potência computacional.
Pesquisadores do Centro de Ciência de Materiais da U-M, conhecido como PRISMS, desenvolveram um software que simplifica esse desafio. Ele calcula a energia para determinadas disposições atômicas e, em seguida, prevê outras com base na simetria da estrutura cristalina.
“Nosso software calcula a energia para algumas disposições atômicas e depois extrapola para prever as energias para outras disposições com base na simetria da estrutura cristalina”, disse Brian Puchala, um dos principais desenvolvedores do software e pesquisador associado no Departamento de Ciência dos Materiais e Engenharia da U-M.
Essa abordagem tornou possível simular o crescimento da dolomita em escalas de tempo que refletem processos geológicos reais.
“Cada passo atômico normalmente levaria mais de 5.000 horas de CPU em um supercomputador. Agora, podemos fazer o mesmo cálculo em 2 milissegundos em um desktop”, disse Joonsoo Kim, estudante de doutorado em ciência dos materiais e engenharia e primeiro autor do estudo.
Experimento em Laboratório Confirma a Teoria
Ambientes naturais onde a dolomita ainda se forma hoje frequentemente experimentam ciclos de inundação seguidos de secagem, o que apoia a teoria da equipe. No entanto, ainda era necessário obter evidências experimentais diretas.
Essas evidências vieram de Yuki Kimura, professor de ciência dos materiais na Universidade de Hokkaido, e de Tomoya Yamazaki, um pesquisador de pós-doutorado em seu laboratório. Eles usaram uma propriedade incomum dos microscópios eletrônicos de transmissão para recriar o processo.
“Microscópios eletrônicos geralmente usam feixes de elétrons apenas para imaginar amostras”, disse Kimura. “No entanto, o feixe também pode dividir a água, o que gera um ácido que pode fazer os cristais se dissolverem. Normalmente, isso é ruim para a imagem, 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. 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 cresceu para cerca de 100 nanômetros, ou aproximadamente 250.000 vezes menor que uma polegada. Esse crescimento representou cerca de 300 camadas de dolomita. Experimentos anteriores nunca produziram mais do que cinco camadas.
Implicações para a Tecnologia Moderna
Resolver o Problema da Dolomita vai além de explicar um mistério geológico. Também oferece informações sobre como controlar o crescimento de cristais em materiais avançados usados na tecnologia moderna.
“No passado, cultivadores de cristais que queriam produzir materiais sem defeitos tentavam cultivá-los de forma muito lenta”, disse Sun. “Nossa teoria mostra que você pode crescer materiais sem defeitos rapidamente, se dissolver periodicamente os defeitos durante o crescimento.”
Esse conceito pode 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.
