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CIENCIA

Resuelven el ‘problema de la Dolomita’ después de 200 años

Para conseguir un crecimiento cristalino óptimo de la Dolomita es necesario calcular la energía de algunas disposiciones atómicas.

Daniel García
Daniel GarcíaDanii_grc
Wenhao Sun, Dow Early Career Professor of Engineering and Assistant Professor of Materials Science and Engineering holds pieces of dolomite rock while standing in his lab. Scientists have grown dolomite crystals in a laboratory for the first time. Dolomite is an abundant mineral in ancient geologic features -- think the Dolomites in Itlay or the capstone of Niagara Falls, but it's absent in modern formations unlike other limestone minerals. Geologists knew that the answer to this riddle must be hidden in the way dolomite forms, but nobody has ever gotten a dolomite crystal to grow in the lab. Wenhao Sun's lab was able to come up with a model to explain why dolomite crystals can't grow in the lab the way other limestone minerals do: the mineral requires repeated cycles of dissolving and crystalizing to grow. They tested this idea out in the lab and managed to grow dolomite in the lab for the first time. Wenhao thinks the same principle could apply to other hard to synthesize materials. One promising material for thin solar cells, CZTS, has been hard to make because it is blocked by the same crystal growth problems as dolomite. Maybe dissolving the CZTS between periods of crystal growth is required to make this material? The corresponding author is Wenhao Sun, Dow Early Career Professor of Engineering and Assistant Professor of Materials Science and Engineering. The first author is Joonsoo Kim, a doctoral student of materials science and engineering. October 31, 2023. Photo by Marcin Szczepanski/Lead Multimedia Storyteller, Michigan Engineering
Marcin Szczepanski

La Dolomita es un mineral muy común que está compuesto de carbonato de calcio y magnesio, pero que durante 200 años, los científicos no han conseguido cultivar. Ahora, un equipo de investigadores de las universidades de Michigan (UM) y Hokkaido finalmente, lo ha conseguido gracias a una nueva teoría desarrollada a partir de simulaciones atómicas.

La investigación ha concluido con la solución al misterio geológico llamado el “Problema de la Dolomita”. Este mineral se puede encontrar en las montañas Dolomitas de Italia, las cataratas del Niágara, los Acantilados Blancos de Dover y los Hoodoos de Utah, y es muy abundante en las rocas de más de 100 millones de años.

“Si entendemos cómo crece la dolomita en la naturaleza, podríamos aprender nuevas estrategias para promover el crecimiento cristalino de los materiales tecnológicos modernos”, afirma en un comunicado Wenhao Sun, catedrático de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UM y autor del estudio, publicado en la revista ‘Science’.

Cultivar Dolomita

El crecimiento de la dolomita consiste en filas alternas de calcio y magnesio. El agua, el calcio y el magnesio se adhieren al cristal de dolomita en crecimiento, situándose a menudo en el lugar equivocado y creando defectos que impiden la formación de capas adicionales de dolomita. Este desorden ralentiza el crecimiento de la dolomita.

Para simular con precisión el crecimiento de la dolomita, los investigadores necesitaban calcular con qué fuerza o soltura se adherirán los átomos a una superficie de dolomita existente. Las simulaciones más precisas han requerido la energía de cada una de las interacciones entre electrones y átomos en el cristal en crecimiento.

“Nuestro software calcula la energía de algunas disposiciones atómicas y, a continuación, extrapola para predecir las energías de otras disposiciones basándose en la simetría de la estructura cristalina”, explica Brian Puchala, uno de los principales desarrolladores del software e investigador científico asociado del Departamento de Ciencia e Ingeniería de Materiales de la UM.

“Cada paso atómico llevaría normalmente más de 5.000 horas de CPU en un superordenador. Ahora, podemos hacer el mismo cálculo en 2 milisegundos en un ordenador de sobremesa”, explica Joonsoo Kim, estudiante de doctorado de Ciencia e Ingeniería de Materiales y primer autor del estudio.