Pendant 200 ans, les scientifiques n’ont pas réussi à cultiver un minéral commun en laboratoire dans les conditions censées l’avoir formé naturellement. Aujourd’hui, une équipe de chercheurs de l’Université du Michigan et de l’Université d’Hokkaido à Sapporo, au Japon, a finalement réussi, grâce à une nouvelle théorie développée à partir de simulations atomiques.
Leur succès résout un mystère géologique de longue date appelé « problème des dolomites ». La dolomite, un minéral clé des montagnes des Dolomites en Italie, des chutes du Niagara, des falaises blanches de Douvres et des Hoodoos de l’Utah, est très abondante dans les roches. plus de 100 millions d’annéesmais quasiment absent dans les formations plus jeunes.
« Si nous comprenons comment la dolomite se développe dans la nature, nous pourrions apprendre de nouvelles stratégies pour promouvoir la croissance cristalline des matériaux technologiques modernes », a déclaré Wenhao Sun, professeur Dow Early Career de science et d’ingénierie des matériaux à l’UM et auteur correspondant de l’article publié. aujourd’hui dans Science.
Le secret pour enfin faire pousser de la dolomite en laboratoire consistait à éliminer les défauts de la structure minérale au fur et à mesure de sa croissance. Lorsque les minéraux se forment dans l’eau, les atomes se déposent généralement proprement sur un bord de la surface cristalline en croissance. Cependant, la limite de croissance de la dolomite est constituée de rangées alternées de calcium et de magnésium.
Dans l’eau, le calcium et le magnésium s’attacheront de manière aléatoire aux cristaux de dolomite en croissance, se logeant souvent au mauvais endroit et créant des défauts qui empêchent la formation de couches supplémentaires de dolomite. Ce désordre ralentit considérablement la croissance de la dolomite, ce qui signifie qu’il faudrait 10 millions d’années pour produire une seule couche de dolomite ordonnée.
Heureusement, ces défauts ne sont pas verrouillés. Parce que les atomes désordonnés sont moins stables que les atomes dans la bonne position, ils sont les premiers à se dissoudre lorsque le minéral est lavé à l’eau. Le rinçage répété de ces défauts, par exemple avec les cycles de pluie ou de marée, permet à une couche de dolomite de se former en quelques années seulement. Au fil des temps géologiques, des montagnes de dolomite peuvent s’accumuler.
Pour simuler avec précision la croissance de la dolomite, les chercheurs ont dû calculer la force ou la force avec laquelle les atomes s’attacheront à une surface de dolomite existante. Les simulations les plus précises nécessitent l’énergie de chaque interaction entre les électrons et les atomes dans le cristal en croissance. De tels calculs exhaustifs nécessitent généralement d’énormes quantités de puissance de calcul, mais un logiciel développé au Centre de science des matériaux de structure prédictive (PRISMS) de l’UM offrait un raccourci.
Crédit : Université du Michigan
« Notre logiciel calcule l’énergie de certains arrangements atomiques, puis extrapole pour prédire les énergies d’autres arrangements en fonction de la symétrie de la structure cristalline », a déclaré Brian Puchala, l’un des principaux développeurs du logiciel et chercheur associé au département des matériaux de l’UM. Sciences et ingénierie.
Ce raccourci a permis de simuler la croissance de la dolomite sur des échelles de temps géologiques.
« Chaque étape atomique nécessiterait normalement plus de 5 000 heures de processeur sur un superordinateur. Désormais, nous pouvons effectuer le même calcul en 2 millisecondes sur un ordinateur de bureau », a déclaré Joonsoo Kim, doctorant en science et ingénierie des matériaux et premier auteur de l’étude.
Les quelques zones où se forme aujourd’hui de la dolomite sont inondées par intermittence et s’assèchent ensuite, ce qui correspond bien à la théorie de Sun et Kim. Mais de telles preuves ne suffisaient pas à elles seules pour être pleinement convaincantes. Entrez Yuki Kimura, professeur de science des matériaux à l’Université d’Hokkaido, et Tomoya Yamazaki, chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Kimura. Ils ont testé la nouvelle théorie avec une bizarrerie des microscopes électroniques à transmission.
« Les microscopes électroniques utilisent généralement des faisceaux d’électrons uniquement pour imager des échantillons », a déclaré Kimura. « Cependant, le faisceau peut également diviser l’eau, ce qui produit de l’acide susceptible de dissoudre les cristaux. Habituellement, cela est mauvais pour l’imagerie, mais dans ce cas, la dissolution est exactement ce que nous recherchions. »
Après avoir placé un minuscule cristal de dolomite dans une solution de calcium et de magnésium, Kimura et Yamazaki ont doucement pulsé le faisceau d’électrons 4 000 fois en deux heures, dissolvant ainsi les défauts. Après les impulsions, la dolomite a grossi d’environ 100 nanomètres, soit environ 250 000 fois plus petite qu’un pouce. Bien qu’il ne s’agisse que de 300 couches de dolomite, jamais plus de cinq couches de dolomite n’avaient été cultivées en laboratoire auparavant.
Les leçons tirées du problème des dolomites peuvent aider les ingénieurs à fabriquer des matériaux de meilleure qualité pour les semi-conducteurs, les panneaux solaires, les batteries et autres technologies.
« Dans le passé, les cristallistes qui voulaient fabriquer des matériaux sans défauts essayaient de les faire pousser très lentement », a expliqué Sun. « Notre théorie montre que vous pouvez cultiver rapidement des matériaux sans défauts si vous dissolvez périodiquement les défauts pendant la croissance. »
Plus d’information:
Joonsoo Kim et al, La dissolution permet la croissance de cristaux de dolomite dans des conditions proches de la température ambiante, Science (2023). DOI : 10.1126/science.adi3690. www.science.org/doi/10.1126/science.adi3690