I 200 år har forskere ikke været i stand til at gro dolomit i laboratoriet under de betingelser, der menes at have dannet det naturligt. Nu har et hold forskere fra University of Michigan (U-M), USA, og Hokkaido University i Sapporo, Japan, endelig gjort det, takket være en ny teori udviklet fra atomare simulationer.
Deres succes løser et længe stående geologisk mysterium kaldet 'Dolomitproblemet'. Dolomit er meget udbredt i sten ældre end 100 millioner år, men næsten fraværende i yngre formationer.
"Hvis vi forstår, hvordan dolomit vokser i naturen, kan vi måske lære nye strategier til at fremme krystalvækst af moderne teknologiske materialer," sagde Wenhao Sun, professor i Materialevidenskab og Ingeniørvidenskab ved U-M og korresponderende forfatter af artiklen, der blev offentliggjort i Science.
Hemmeligheden bag at gro dolomit i laboratoriet var at fjerne defekter i mineralstrukturen under væksten. Når mineraler dannes i vand, aflejrer atomer sig normalt pænt på en kant af den voksende krystalfase. Men dolomits vækstkant består af skiftende rækker af calcium og magnesium.
I vand vil calcium og magnesium tilfældigt sætte sig fast på den voksende dolomitkrystal, ofte i den forkerte position, hvilket skaber defekter, der forhindrer yderligere lag af dolomit i at dannes. Denne uorden bremser dolomits vækst, hvilket betyder, at det ville tage ti millioner år at skabe blot ét lag af ordnet dolomit.
Heldigvis er disse defekter ikke låst fast. Fordi de uordnede atomer er mindre stabile end atomer i den korrekte position, er de de første til at opløses, når mineralet skylles med vand.
Gentagen skylning af disse defekter - for eksempel med regn eller tidevandscyklusser - tillader, at et dolomitlag kan dannes på kun få år. Over geologisk tid kan bjerge af dolomit akkumuleres.
At simulere dolomits vækst præcist krævede beregninger af, hvor stærkt eller løst atomer vil binde sig til en eksisterende dolomitflade. De mest præcise simulationer kræver energien for hver enkelt interaktion mellem elektroner og atomer i den voksende krystal.
Sådanne udtømmende beregninger kræver normalt enorme mængder computerkraft, men software udviklet ved U-M's Predictive Structure Materials Science (PRISMS) Center tilbød en genvej.
"Vores software beregner energien for nogle atomare arrangementer og ekstrapolerer derefter for at forudsige energierne for andre arrangementer baseret på krystalstrukturens symmetri," sagde Brian Puchala, en af softwareudviklerne og en forsker ved U-M's Institut for Materialevidenskab og Ingeniørvidenskab.
Denne genvej gjorde det muligt at simulere dolomits vækst over geologiske tidsskalaer.
"Hver atomar beregning ville normalt tage over 5000 CPU-timer på en supercomputer. Nu kan vi udføre den samme beregning på 2 millisekunder på en desktop," sagde Joonsoo Kim, en ph.d.-studerende i materialevidenskab og ingeniørvidenskab og studiets første forfatter.
De få områder, hvor dolomit dannes i dag, oversvømmes periodisk og tørrer senere ud, hvilket stemmer godt overens med Sun og Kims teori. Men sådanne beviser alene var ikke nok til at være helt overbevisende.
Yuki Kimura, professor i materialevidenskab fra Hokkaido University, og Tomoya Yamazaki, postdoc-forsker i Kimuras laboratorium, testede den nye teori med en særhed ved transmissionselektronmikroskoper.
"Elektronmikroskoper bruger normalt elektronstråler kun til at afbilde prøver. Men strålen kan også spalte vand, hvilket skaber syre, der kan få krystaller til at opløses. Normalt er dette dårligt for billeddannelse, men i dette tilfælde var opløsning præcis, hvad vi ønskede," sagde Kimura.
Efter at have placeret en lille dolomitkrystal i en opløsning af calcium og magnesium, pulserede Kimura og Yamazaki forsigtigt elektronstrålen 4000 gange over to timer, opløste defekterne og så dolomit vokse cirka 100 nanometer - omkring 250.000 gange mindre end en tomme.
Selvom dette kun var 300 lag dolomit, havde man aldrig før dyrket mere end 5 lag dolomit i laboratoriet. Lærdommene fra Dolomitproblemet kan hjælpe ingeniører med at fremstille materialer af højere kvalitet til halvledere, solpaneler, batterier og anden teknologi.
