Na slechts twee eeuwen van pogingen zijn wetenschappers er eindelijk in geslaagd het mineraal dolomiet in een laboratorium te laten groeien, waarmee ze het lang bestaande geologische raadsel, bekend als het 'Dolomietprobleem', hebben opgelost. Onderzoekers van de Universiteit van Michigan en de Universiteit van Hokkaido in Sapporo, Japan, slaagden door een nieuwe theorie te ontwikkelen op basis van gedetailleerde atoomsimulaties.

Dolomiet is een wijdverspreid mineraal dat voorkomt op iconische locaties zoals de Dolomieten in Italië, de Niagara-watervallen en de Hoodoos in Utah. Het is overvloedig aanwezig in gesteenten ouder dan 100 miljoen jaar, maar wordt zelden gezien in meer recente omgevingen, wat generaties lang voor wetenschappelijke hoofdbrekens heeft gezorgd.

De cruciale doorbraak was het begrijpen van wat de vorming van dolomiet verstoort. De structuur bestaat uit afwisselende lagen calcium en magnesium, maar deze elementen hechten zich vaak willekeurig tijdens de groei, wat structurele defecten veroorzaakt die verdere vooruitgang blokkeren. Met die gebrekkige snelheid zou het vormen van een enkele goed geordende laag tot wel 10 miljoen jaar kunnen duren.

De onderzoekers realiseerden zich dat deze defecten niet permanent zijn. Atomen die niet op hun plaats zitten, zijn minder stabiel en lossen eerder op wanneer ze worden blootgesteld aan water. In de natuur spoelen cycli zoals regenval of getijdenveranderingen deze gebrekkige gebieden herhaaldelijk weg. Na verloop van tijd wordt het oppervlak zo vrijgemaakt dat nieuwe, goed gerangschikte lagen kunnen vormen, waardoor dolomiet zich kan opbouwen over geologische perioden in plaats van geologische eeuwigheden.

Om dit te testen, moest het team atomaire interacties modelleren, een taak die normaal gesproken enorme rekenkracht vereist. Onderzoekers van het PRISMS Center van de Universiteit van Michigan ontwikkelden software die de uitdaging vereenvoudigde. "Elke atomaire stap zou normaal gesproken meer dan 5.000 CPU-uren op een supercomputer kosten. Nu kunnen we dezelfde berekening in 2 milliseconden op een desktop uitvoeren," zei Joonsoo Kim, de eerste auteur van de studie.

Voor experimenteel bewijs gebruikten Yuki Kimura en Tomoya Yamazaki van de Universiteit van Hokkaido een transmissie-elektronenmicroscoop op een onconventionele manier. Ze pulsten de elektronenbundel 4.000 keer gedurende twee uur op een klein kristal in een oplossing, waarbij ze het vermogen van de bundel gebruikten om water te splitsen en zuur te creëren om defecten op te lossen terwijl ze zich vormden. Het kristal groeide tot ongeveer 100 nanometer, wat ongeveer 300 lagen dolomiet vertegenwoordigt - een wereld van verschil met het vorige record van vijf.

Het oplossen van dit oude mysterie heeft moderne implicaties. "Onze theorie laat zien dat je defectvrije materialen snel kunt laten groeien, als je de defecten periodiek oplost tijdens de groei," zei Wenhao Sun, de corresponderende auteur. Dit inzicht zou de productie van halfgeleiders, zonnepanelen, batterijen en andere technologieën kunnen verbeteren. Het onderzoek werd gefinancierd door de American Chemical Society PRF New Doctoral Investigator-beurs, het Amerikaanse ministerie van Energie en de Japan Society for the Promotion of Science.