Per più di due secoli, nessuno era riuscito a far crescere la dolomite in laboratorio. Un mistero geologico che ha fatto impazzire generazioni di scienziati e che ora, finalmente, ha una soluzione. Un gruppo di ricercatori della University of Michigan e della Hokkaido University di Sapporo, in Giappone, ha risolto quello che nel mondo scientifico è noto come il “problema della dolomite”, scoprendo che il segreto sta nel lavare via i difetti strutturali del minerale durante la sua formazione.
Un minerale diffusissimo che nessuno sapeva riprodurre
La dolomite è un minerale che si trova un po’ ovunque: dalle omonime montagne italiane alle cascate del Niagara, passando per gli Hoodoos dello Utah. È abbondante nelle rocce più antiche di 100 milioni di anni, eppure raramente lo si osserva formarsi in ambienti più recenti. Questo paradosso ha tormentato la comunità scientifica per circa 200 anni. Tutti i tentativi di riprodurre la crescita della dolomite in laboratorio, simulando le condizioni naturali, erano falliti miseramente.
Il punto cruciale della scoperta riguarda ciò che succede quando il minerale inizia a formarsi. Di norma, i minerali crescono in acqua grazie ad atomi che si attaccano in modo ordinato alla superficie di un cristallo. La dolomite, però, ha una struttura fatta di strati alternati di calcio e magnesio, e qui nascono i guai: durante la crescita, questi due elementi spesso si dispongono in modo casuale anziché allinearsi correttamente. Si creano così difetti strutturali che bloccano l’ulteriore crescita. Il risultato? Un processo talmente lento che la formazione di un singolo strato ordinato di dolomite potrebbe richiedere fino a 10 milioni di anni.
Ecco però la svolta. I ricercatori hanno capito che in natura quei difetti non sono permanenti. Gli atomi fuori posto sono meno stabili e tendono a dissolversi quando entrano in contatto con l’acqua. Cicli naturali come la pioggia o le maree lavano ripetutamente le aree difettose, liberando la superficie e permettendo la formazione di nuovi strati corretti. Non servono più milioni di anni per ogni singolo strato: la dolomite riesce ad accumularsi gradualmente in intervalli molto più brevi, e nel corso di lunghi periodi geologici questo meccanismo produce i grandi depositi che osserviamo oggi nelle formazioni rocciose antiche.
Simulazioni atomiche e la conferma sperimentale
Per verificare questa teoria, il team aveva bisogno di modellare le interazioni tra atomi durante la formazione della dolomite. Un compito normalmente proibitivo in termini di potenza di calcolo. Ogni singolo passaggio atomico avrebbe richiesto oltre 5.000 ore di CPU su un supercomputer. I ricercatori del centro PRISMS della University of Michigan hanno però sviluppato un software capace di calcolare l’energia per alcune configurazioni atomiche e poi prevedere le altre sfruttando la simmetria della struttura cristallina. Il risultato è impressionante: lo stesso calcolo ora si completa in 2 millisecondi su un normale computer da scrivania.
Ma serviva anche una prova sperimentale diretta. Ed è qui che entra in gioco il contributo di Yuki Kimura, professore alla Hokkaido University, e del ricercatore post dottorato Tomoya Yamazaki. Hanno sfruttato una proprietà insolita dei microscopi elettronici a trasmissione: il fascio di elettroni, normalmente usato solo per osservare i campioni, è anche in grado di separare le molecole d’acqua producendo acido che dissolve i cristalli. In genere questo è un problema per le osservazioni, ma nel caso della dolomite era esattamente ciò che serviva.
Il team ha immerso un piccolo cristallo di dolomite in una soluzione contenente calcio e magnesio, poi ha pulsato il fascio di elettroni 4.000 volte nell’arco di due ore, dissolvendo ripetutamente i difetti man mano che si formavano. Dopo questo trattamento, il cristallo è cresciuto fino a circa 100 nanometri, con circa 300 strati di dolomite. I precedenti esperimenti non avevano mai superato i cinque strati.
