Po zaledwie dwóch stuleciach prób naukowcom wreszcie udało się wyhodować minerał dolomit w laboratorium, rozwiązując długoletnią geologiczną zagadkę znaną jako "Problem Dolomitu". Badacze z University of Michigan oraz Hokkaido University w Sapporo w Japonii osiągnęli sukces, opracowując nową teorię opartą na szczegółowych symulacjach atomowych.

Dolomit jest powszechnym minerałem występującym w ikonicznych lokalizacjach, takich jak góry Dolomity we Włoszech, wodospad Niagara czy formacje Hoodoos w Utah. Jest obficie obecny w skałach starszych niż 100 milionów lat, ale rzadko obserwuje się jego powstawanie w nowszych środowiskach, co od pokoleń stanowiło źródło naukowego drapania się po głowach.

Kluczowym przełomem było zrozumienie, co zakłóca formowanie się dolomitu. Jego struktura składa się z naprzemiennych warstw wapnia i magnezu, ale te pierwiastki często przyłączają się przypadkowo podczas wzrostu, tworząc wady strukturalne, które blokują dalszy postęp. Przy tak wadliwym tempie uformowanie jednej dobrze uporządkowanej warstwy mogłoby zająć nawet 10 milionów lat.

Badacze zrozumieli, że te wady nie są trwałe. Atomy nie na swoim miejscu są mniej stabilne i bardziej podatne na rozpuszczanie pod wpływem wody. W naturze cykle takie jak opady deszczu czy zmiany pływów wielokrotnie wypłukują te wadliwe obszary. Z czasem oczyszcza to powierzchnię, dzięki czemu mogą tworzyć się nowe, właściwie ułożone warstwy, pozwalając dolomitowi narastać w skali geologicznej, a nie geologicznej wieczności.

Aby to przetestować, zespół potrzebował modelowania interakcji atomowych, zadania zazwyczaj wymagającego ogromnej mocy obliczeniowej. Badacze z Centrum Predykcyjnej Nauki o Materiałach (PRISMS) University of Michigan opracowali oprogramowanie, które uprościło to wyzwanie. "Każdy krok atomowy normalnie zajmowałby ponad 5000 godzin CPU na superkomputerze. Teraz możemy wykonać to samo obliczenie w 2 milisekundy na komputerze stacjonarnym" - powiedział Joonsoo Kim, pierwszy autor badania.

Dla dowodów eksperymentalnych Yuki Kimura i Tomoya Yamazaki z Hokkaido University użyli transmisyjnego mikroskopu elektronowego w nietypowy sposób. Przez dwie godziny pulsowali jego wiązką elektronów 4000 razy na małym krysztale w roztworze, wykorzystując zdolność wiązki do rozszczepiania wody i tworzenia kwasu w celu rozpuszczania wad w miarę ich powstawania. Kryształ urósł do około 100 nanometrów, co odpowiada około 300 warstwom dolomitu - daleko od poprzedniego rekordu wynoszącego pięć warstw.

Rozwiązanie tej starożytnej zagadki ma współczesne implikacje. "Nasza teoria pokazuje, że można szybko hodować materiały bez wad, jeśli okresowo rozpuszcza się wady podczas wzrostu" - powiedział Wenhao Sun, autor korespondencyjny. To spostrzeżenie może poprawić produkcję półprzewodników, paneli słonecznych, baterii i innych technologii. Badania były finansowane przez grant American Chemical Society PRF New Doctoral Investigator, Departament Energii USA oraz Japońskie Towarzystwo Wspierania Nauki.