Efter bara två sekler av försök har forskare äntligen lyckats odla mineralet dolomit i ett labb, vilket löser det långvariga geologiska mysteriet som kallas "Dolomitproblemet". Forskare från University of Michigan och Hokkaido University i Sapporo, Japan, lyckades genom att utveckla en ny teori baserad på detaljerade atomsimuleringar.

Dolomit är ett vitt spritt mineral som finns på ikoniska platser som Dolomitbergen i Italien, Niagarafallen och Utahs Hoodoos. Det är rikligt förekommande i bergarter äldre än 100 miljoner år men ses sällan bildas i nyare miljöer, vilket har varit en källa till vetenskaplig huvudkliande i generationer.

Genombrottet var att förstå vad som stör dolomit när den bildas. Dess struktur består av alternerande lager av kalcium och magnesium, men dessa element fäster ofta slumpmässigt under tillväxten, vilket skapar strukturella defekter som blockerar vidare framsteg. I den takten skulle det ta upp till 10 miljoner år att bilda ett enda välordnat lager.

Forskarna insåg att dessa defekter inte är permanenta. Atomer på fel plats är mindre stabila och mer benägna att lösa upp sig när de utsätts för vatten. I naturen tvättar cykler som nederbörd eller tidvattenförändringar bort dessa felaktiga områden upprepade gånger. Med tiden rensar detta ytan så att nya, korrekt arrangerade lager kan bildas, vilket gör att dolomit kan byggas upp över geologiska perioder istället för geologiska evigheter.

För att testa detta behövde teamet modellera atomära interaktioner, en uppgift som normalt kräver enorm beräkningskraft. Forskare vid U-M:s Predictive Structure Materials Science (PRISMS) Center utvecklade programvara som förenklade utmaningen. "Varje atomsteg skulle normalt ta över 5 000 CPU-timmar på en superdator. Nu kan vi göra samma beräkning på 2 millisekunder på en stationär dator", sa Joonsoo Kim, studiens förstaförfattare.

För experimentella bevis använde Yuki Kimura och Tomoya Yamazaki vid Hokkaido University ett transmissions-elektronmikroskop på ett okonventionellt sätt. De pulserade dess elektronstråle 4 000 gånger över två timmar på en liten kristall i en lösning, och använde strålens förmåga att splitta vatten och skapa syra för att lösa upp defekter när de bildades. Kristallen växte till cirka 100 nanometer, vilket representerar ungefär 300 lager dolomit – långt ifrån det tidigare rekordet på fem.

Att lösa detta urgamla mysterium har moderna implikationer. "Vår teori visar att man kan odla defektfria material snabbt, om man periodiskt löser upp defekterna under tillväxten", sa Wenhao Sun, motsvarande författare. Denna insikt kan förbättra produktionen av halvledare, solpaneler, batterier och andra teknologier. Forskningen finansierades av American Chemical Society PRF New Doctoral Investigator grant, U.S. Department of Energy och Japanese Society for the Promotion of Science.