Un rompicapo che durava da due secoli ha finalmente trovato risposta. Il cosiddetto problema della dolomite ha tormentato generazioni di geologi e chimici: nessuno era mai riuscito a far crescere questo minerale in laboratorio, riproducendo le condizioni naturali. Ora, grazie a un gruppo di ricercatori dell’Università del Michigan e dell’Università di Hokkaido, in Giappone, la questione è stata risolta con un approccio tanto elegante quanto controintuitivo. Il segreto? Imparare a lavare via i difetti, esattamente come fa la natura.

La dolomite è un minerale che si trova praticamente ovunque nelle formazioni rocciose più antiche del pianeta. Dalle montagne delle Dolomiti italiane alle cascate del Niagara, passando per gli Hoodoos dello Utah. Eppure, nonostante la sua abbondanza nelle rocce con più di 100 milioni di anni, quasi non la si vede formarsi negli ambienti geologici recenti. Una contraddizione che ha fatto impazzire gli scienziati per oltre due secoli. E che ha preso, appunto, il nome di problema della dolomite.

Perché la dolomite non voleva crescere in laboratorio

Il nodo della questione sta nella struttura stessa del minerale. La dolomite è composta da strati alternati di calcio e magnesio, e quando il cristallo cresce in acqua, questi due elementi tendono a posizionarsi in modo casuale anziché seguire l’ordine corretto. Il risultato sono difetti strutturali che bloccano la crescita. A quel ritmo, per formare un singolo strato ben ordinato di dolomite servirebbero qualcosa come 10 milioni di anni.

Ecco dove arriva l’intuizione chiave del team guidato da Wenhao Sun, professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali all’Università del Michigan. Gli atomi fuori posto sono meno stabili e, quando entrano in contatto con l’acqua, tendono a dissolversi più facilmente. In natura, cicli come le piogge o le maree lavano via periodicamente queste zone difettose, lasciando spazio a nuovi strati correttamente ordinati. La dolomite non cresce nonostante i difetti, ma proprio perché qualcosa li elimina di continuo.

Per verificare questa teoria, il team ha sviluppato simulazioni atomiche avanzate grazie al software creato dal centro PRISMS dell’Università del Michigan. Un software capace di ridurre drasticamente i tempi di calcolo: operazioni che avrebbero richiesto oltre 5.000 ore di CPU su un supercomputer ora vengono completate in 2 millisecondi su un normale computer da scrivania.

L’esperimento che ha cambiato tutto

La conferma sperimentale è arrivata dal laboratorio di Yuki Kimura, professore all’Università di Hokkaido. Il suo team ha sfruttato una proprietà insolita dei microscopi elettronici a trasmissione: il fascio di elettroni, quando colpisce l’acqua, genera acido che dissolve i cristalli. Un effetto di solito indesiderato, che in questo caso era esattamente ciò che serviva.

I ricercatori hanno immerso un piccolo cristallo di dolomite in una soluzione con calcio e magnesio, poi hanno pulsato il fascio elettronico 4.000 volte nell’arco di due ore. Ogni impulso dissolveva i difetti man mano che si formavano. Il risultato è stato straordinario: il cristallo è cresciuto fino a circa 100 nanometri, accumulando circa 300 strati di dolomite. Gli esperimenti precedenti non erano mai andati oltre cinque strati. Un record assoluto.

E le implicazioni vanno ben oltre la geologia. Come ha spiegato Sun, la lezione appresa dalla dolomite potrebbe rivoluzionare la produzione di materiali tecnologici avanzati come semiconduttori, pannelli solari e batterie. L’idea tradizionale era che per ottenere cristalli privi di difetti bisognasse farli crescere lentissimamente. Ora si sa che è possibile farli crescere velocemente, a patto di dissolvere periodicamente le imperfezioni durante il processo.

Lo studio, pubblicato sulla rivista Science, è stato finanziato dall’American Chemical Society, dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti e dalla Società Giapponese per la Promozione della Scienza. Una di quelle scoperte che ricordano quanto la natura abbia ancora da insegnare, anche dopo duecento anni di tentativi andati a vuoto.

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