Nach schlappen zwei Jahrhunderten des Versuchens haben Wissenschaftler endlich das Mineral Dolomit im Labor züchten können und damit das langjährige geologische Rätsel namens "Dolomit-Problem" geknackt. Forscher der University of Michigan und der Hokkaido University in Sapporo, Japan, hatten Erfolg mit einer neuen Theorie, die auf detaillierten atomaren Simulationen basiert.

Dolomit ist ein weit verbreitetes Mineral, das an ikonischen Orten wie den Dolomiten in Italien, den Niagara-Fällen und den Hoodoos in Utah vorkommt. Es ist reichlich in Gesteinen vorhanden, die älter als 100 Millionen Jahre sind, wird aber selten in jüngeren Umgebungen gebildet – was seit Generationen für wissenschaftliches Kopfzerbrechen sorgt.

Der entscheidende Durchbruch war das Verständnis dessen, was die Bildung von Dolomit stört. Seine Struktur besteht aus abwechselnden Schichten von Kalzium und Magnesium, aber diese Elemente lagern sich während des Wachstums oft zufällig an und erzeugen strukturelle Defekte, die den weiteren Fortschritt blockieren. Bei dieser fehlerhaften Rate könnte die Bildung einer einzigen wohlgeordneten Schicht bis zu 10 Millionen Jahre dauern.

Die Forscher erkannten, dass diese Defekte nicht dauerhaft sind. Atome, die sich nicht an der richtigen Stelle befinden, sind weniger stabil und lösen sich eher auf, wenn sie Wasser ausgesetzt sind. In der Natur spülen Zyklen wie Regenfälle oder Gezeitenänderungen diese fehlerhaften Bereiche wiederholt weg. Mit der Zeit klärt dies die Oberfläche, sodass neue, richtig angeordnete Schichten entstehen können, was es dem Dolomit ermöglicht, sich über geologische Zeiträume statt über geologische Ewigkeiten aufzubauen.

Um dies zu testen, musste das Team atomare Wechselwirkungen modellieren – eine Aufgabe, die normalerweise immense Rechenleistung erfordert. Forscher am PRISMS Center der University of Michigan entwickelten Software, die die Herausforderung vereinfachte. "Jeder atomare Schritt würde normalerweise über 5.000 CPU-Stunden auf einem Supercomputer benötigen. Jetzt können wir dieselbe Berechnung in 2 Millisekunden auf einem Desktop durchführen", sagte Joonsoo Kim, der Erstautor der Studie.

Für experimentelle Beweise nutzten Yuki Kimura und Tomoya Yamazaki von der Hokkaido University ein Transmissionselektronenmikroskop auf unkonventionelle Weise. Sie pulsten seinen Elektronenstrahl 4.000 Mal über zwei Stunden auf einen kleinen Kristall in einer Lösung und nutzten die Fähigkeit des Strahls, Wasser zu spalten und Säure zu erzeugen, um Defekte aufzulösen, während sie entstanden. Der Kristall wuchs auf etwa 100 Nanometer, was etwa 300 Schichten Dolomit entspricht – weit entfernt vom bisherigen Rekord von fünf.

Die Lösung dieses uralten Rätsels hat moderne Implikationen. "Unsere Theorie zeigt, dass man defektfreie Materialien schnell züchten kann, wenn man die Defekte während des Wachstums periodisch auflöst", sagte Wenhao Sun, der korrespondierende Autor. Diese Erkenntnis könnte die Produktion von Halbleitern, Solarpanelen, Batterien und anderen Technologien verbessern. Die Forschung wurde durch das American Chemical Society PRF New Doctoral Investigator-Stipendium, das US-Energieministerium und die Japan Society for the Promotion of Science finanziert.