Après seulement deux siècles d'efforts, les scientifiques ont enfin réussi à faire pousser le minéral dolomite en laboratoire, résolvant ainsi la vieille énigme géologique connue sous le nom de « Problème de la Dolomite ». Des chercheurs de l'Université du Michigan et de l'Université de Hokkaido à Sapporo, au Japon, ont réussi en développant une nouvelle théorie basée sur des simulations atomiques détaillées.

La dolomite est un minéral répandu que l'on trouve dans des lieux emblématiques comme les montagnes des Dolomites en Italie, les chutes du Niagara et les Hoodoos de l'Utah. Elle est abondante dans les roches vieilles de plus de 100 millions d'années, mais on la voit rarement se former dans des environnements plus récents, ce qui a été une source de perplexité scientifique pendant des générations.

La percée clé a été de comprendre ce qui perturbe la formation de la dolomite. Sa structure est constituée de couches alternées de calcium et de magnésium, mais ces éléments s'attachent souvent de manière aléatoire pendant la croissance, créant des défauts structurels qui bloquent toute progression ultérieure. À ce rythme défectueux, la formation d'une seule couche bien ordonnée pourrait prendre jusqu'à 10 millions d'années.

Les chercheurs ont réalisé que ces défauts ne sont pas permanents. Les atomes mal placés sont moins stables et plus susceptibles de se dissoudre lorsqu'ils sont exposés à l'eau. Dans la nature, des cycles comme les précipitations ou les changements de marée éliminent à plusieurs reprises ces zones défectueuses. Avec le temps, cela nettoie la surface, permettant ainsi à de nouvelles couches correctement disposées de se former, ce qui permet à la dolomite de s'accumuler sur des périodes géologiques plutôt que sur des éternités géologiques.

Pour tester cela, l'équipe devait modéliser les interactions atomiques, une tâche qui nécessite habituellement une puissance de calcul immense. Les chercheurs du centre PRISMS (Predictive Structure Materials Science) de l'Université du Michigan ont développé un logiciel qui a simplifié le défi. « Chaque étape atomique prendrait normalement plus de 5 000 heures de CPU sur un superordinateur. Maintenant, nous pouvons faire le même calcul en 2 millisecondes sur un ordinateur de bureau », a déclaré Joonsoo Kim, premier auteur de l'étude.

Pour obtenir des preuves expérimentales, Yuki Kimura et Tomoya Yamazaki de l'Université de Hokkaido ont utilisé un microscope électronique à transmission de manière non conventionnelle. Ils ont pulsé son faisceau d'électrons 4 000 fois en deux heures sur un petit cristal dans une solution, utilisant la capacité du faisceau à diviser l'eau et à créer de l'acide pour dissoudre les défauts au fur et à mesure de leur formation. Le cristal a atteint environ 100 nanomètres, représentant environ 300 couches de dolomite – loin du précédent record de cinq.

Résoudre ce mystère ancien a des implications modernes. « Notre théorie montre que l'on peut faire pousser des matériaux sans défauts rapidement, si l'on dissout périodiquement les défauts pendant la croissance », a déclaré Wenhao Sun, auteur correspondant. Cette idée pourrait améliorer la production de semi-conducteurs, de panneaux solaires, de batteries et d'autres technologies. La recherche a été financée par la bourse New Doctoral Investigator de l'American Chemical Society PRF, le département américain de l'Énergie et la Société japonaise pour la promotion de la science.