A pesar de siglos de intentos de precipitar dolomita en el laboratorio, este mineral geológicamente abundante sigue siendo obstinadamente misterioso. Pero ahora una colaboración internacional de investigadores cree haber descubierto la clave para la formación de dolomita en el laboratorio: los ciclos de saturación.
Descubierta hace más de 200 años por el naturalista francés Deodat de Dolomieu, la dolomita (CaMg(CO))3)2) es un mineral de carbonato de calcio y magnesio. Por lo general, los cristales se pueden cultivar en el laboratorio a partir de soluciones que están más saturadas de lo que normalmente es posible: soluciones sobresaturadas. Sin embargo, aunque termodinámicamente estable y geológicamente extendida, la dolomita se niega obstinadamente a crecer en el laboratorio en condiciones ambientales cercanas a soluciones sobresaturadas. El llamado problema de la dolomita «representa un misterio fundamental en la teoría del crecimiento de los cristales», según los investigadores Wenhao Suncientífico de materiales de la Universidad de Michigan en Estados Unidos.
Utilizando simulaciones atomísticas, Sun y su equipo desarrollaron un mecanismo para la formación de dolomita y esbozaron una solución al problema de la dolomita. Utilizaron la teoría funcional de la densidad (DFT) por primera vez para comparar la barrera de nucleación de la formación de dolomita con la de otros minerales carbonatados. Su descubrimiento de que es similar en tamaño al de la calcita y la aragonita significa que la precipitación de la dolomita no se limita a la nucleación, sino al crecimiento. En otras palabras, la dolomita no deja de formarse en condiciones de laboratorio debido a dificultades en la iniciación, sino que ocurre más adelante en el proceso.
Los cristales de dolomita están muy ordenados y contienen capas de calcio y magnesio separadas por capas de aniones carbonato. Al examinar el borde creciente de los cristales de dolomita, Sun tuvo lo que describió como su primer momento eureka. ‘Se solicita borde de crecimiento Mg/Ca/Mg/Ca/etc. ¡Es imposible que los iones salgan de la solución en este orden repetitivo perfecto! La entropía causaría el caos. El equipo de investigación calculó que la formación de capas ordenadas de dolomita sobre un sustrato de «protodolomita» alterado es muy desfavorable y se autolimita después de unas pocas capas.
Sun explica que el segundo momento eureka se produjo cuando el estudiante de posgrado y primer autor, Junsu Kim, destacó un vídeo de Francis Ross del MIT en una reunión de laboratorio. Ross demostró que al pulsar el voltaje durante la electrodeposición de cobre, en lugar de dendritas fractales con altos potenciales químicos, obtuvo un crecimiento plano. Al equipo se le ocurrió que al pasar de sobresaturada a subsaturada y viceversa, las regiones desordenadas de la protodolomita se disolverían más rápido que las regiones ordenadas, y emergería una superficie de dolomita gradualmente organizada. «Recuerdo, literalmente, saltar de mi asiento y aplaudir en ese momento durante la reunión del grupo. Creo que pude haber asustado a mis alumnos. ¡Definitivamente fue un momento eureka clásico!» Apaga el sol.
Para confirmar su hipótesis experimentalmente, Sun contactó… Yuki Kimura, especialista en interferometría de crecimiento de cristales de la Universidad de Hokkaido en Japón. Propuso utilizar microscopía electrónica de transmisión in situ de células líquidas con un haz de electrones pulsados para reducir el pH y estimular la descomposición, una solución que, según Sun, es «muy elegante». El equipo colocó una semilla de dolomita cristalina de 3 micrómetros de tamaño en una pequeña celda líquida llena de una solución sobresaturada de carbonato de calcio y magnesio. Después de 3.840 fluctuaciones del haz de electrones durante 128 minutos, observaron directamente un crecimiento de un cúmulo de dolomita de unos 200 nanómetros. Esto corresponde al cultivo de unas 300 capas de dolomita, cinco de las cuales son la mayor cantidad jamás cultivada en un laboratorio.
«Es un poco irónico que haya que fundir la muestra para promover un mejor crecimiento de los cristales», explica Sun. «Pero la historia de la dolomita nos enseña que los defectos en los materiales son de alta energía, y la fusión eliminará primero estas áreas defectuosas de alta energía».
Algunos científicos siguen siendo escépticos sobre la posibilidad de aplicar estos resultados a la naturaleza. «Incluso si fueran capaces de sintetizar dolomita estructurada en la fase experimental de su estudio, el ciclo del estado de saturación de la solución del precipitado sería muy difícil de determinar para el origen de muchas unidades de dolomita (en su mayoría) masivas en la historia geológica», dice. . Jay Greg, profesor emérito de geología de la Universidad Estatal de Oklahoma. Pero Sun no está de acuerdo. «El registro geológico de dónde se formó la dolomita moderna en la naturaleza es superficialmente consistente con el concepto de ciclos de disolución/deposición», señala. ‘[Joonsoo] Descubrí que todos los sitios de formación de dolomita están vinculados a ciclos de inundación y luego de evaporación, lo que encaja perfectamente con la idea de fluctuaciones de sobresaturación.
Jennifer RobertsUn geólogo de la Universidad de Kansas (EE.UU.) también cree que esta evidencia experimental puede trasladarse a entornos naturales. «El trabajo teórico es sólido y establece conexiones legítimas con entornos ecológicos complejos», dice. «Desafiar la opinión predominante de que se requiere una sobresaturación persistente es particularmente convincente porque se traduce en entornos modernos donde observamos sobresaturación/subsaturación estacional o episódica».
Sun espera que su trabajo estimule más intentos de probar sus ideas. «Lo que hemos presentado en nuestro trabajo es un mecanismo, y un primer intento experimental de validar el mecanismo. Ciertamente no es el experimento definitivo. También permanece abierto a otros posibles métodos de formación. «Nuestra teoría es No necesariamente es el único mecanismo por el cual se forma la dolomita, pero es un camino viable y plausible”.
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