Des cristaux cultivés à l’aide d’un faisceau d’électrons résolvent un mystère géologique vieux de 200 ans

Un mystère qui hante la science des matériaux depuis 200 ans a enfin été résolu. Le minéral trouvé dans de nombreuses formations rocheuses anciennes a fortement résisté aux efforts des scientifiques pour le cultiver en laboratoire, bien qu’ils aient réussi à recréer les conditions qui, selon eux, l’ont formé dans la nature. Aujourd’hui, une équipe a résolu le problème et découvert pour la première fois comment faire croître rapidement des cristaux de dolomite.

La dolomite est un minéral très important, elle est présente en totalité Chaîne de montagne Il porte son nom. En plus de ces sommets des Alpes italiennes, la dolomite est abondante dans les falaises blanches de Douvres, les Hoods de l’Utah et d’autres roches datant de plus de 100 millions d’années. Il représente en réalité environ 30 % des minéraux de ce type – les carbonates – présents dans la croûte terrestre, mais il est sensiblement absent des roches de formation plus récente.

Bien qu’ils aient soigneusement essayé de recréer ses conditions naturelles de croissance, les scientifiques n’ont pas réussi pendant deux siècles à produire des cristaux de dolomite en laboratoire. Pour résoudre l’énigme, ils ont dû revenir à l’essentiel.

« Si nous comprenons comment la dolomite se développe dans la nature, nous pourrions apprendre de nouvelles stratégies pour améliorer la croissance cristalline des matériaux technologiques modernes », a déclaré l’auteur correspondant Wenhao Sun de l’Université du Michigan dans l’étude. déclaration.

Le professeur Wenhao Sun expose des roches dolomite de sa collection personnelle.

Crédit image : Marcin Szczybanski, narrateur multimédia principal, Michigan Engineering

Les cristaux de dolomite se forment au fil des temps géologiques grâce à l’accumulation de couches alternées de calcium et de magnésium. Cela semble assez simple, même si cela prend du temps, mais il y a un piège. Lorsqu’il y a de l’eau, les atomes de calcium et de magnésium peuvent adhérer de manière aléatoire au bord de la croissance cristalline, souvent au mauvais endroit. Ces failles empêchent la formation correcte de couches alternées, c’est pourquoi il faut si longtemps – 10 millions d’années – pour créer une couche ordonnée de roche dolomitique.

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Comme Sun et l’équipe n’avaient pas 10 millions d’années à attendre, ils se sont tournés vers un logiciel puissant pour simuler toutes les interactions possibles qui se produisent entre les atomes dans un cristal de dolomite en croissance.

« Chaque étape atomique nécessite généralement 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 le premier auteur Junsu Kim.

L’équipe a atterri sur la théorie. La dolomite peut croître plus rapidement si elle est soumise à des cycles où la concentration de calcium et de magnésium est régulièrement plus faible. La plupart des cristaux se développent bien dans des solutions sursaturées, où leurs composants atomiques sont présents à des niveaux très élevés. Quant à la dolomite, cela ne fait qu’engendrer davantage de défauts et tout ralentir.

Pour tester la théorie, l’équipe a consulté des collaborateurs de l’Université d’Hokkaido et a conçu une expérience ingénieuse utilisant la microscopie électronique à transmission.

« Les microscopes électroniques utilisent généralement uniquement des faisceaux d’électrons pour imager des échantillons », a expliqué Yuki Kimura, professeur de science des matériaux à l’université d’Hokkaido. « Cependant, le faisceau peut également diviser l’eau, produisant de l’acide qui peut provoquer la dissolution des cristaux. Normalement, c’est une mauvaise chose pour l’imagerie, mais dans ce cas, la dissolution est exactement ce que nous recherchions. »

Un petit cristal de dolomite dans une solution de calcium et de magnésium a été exposé à un faisceau d’électrons, qui a été pulsé 4 000 fois en deux heures, pour commencer à dissoudre le cristal. Lorsque le faisceau est éteint, la solution environnante se corrige rapidement vers un état plus saturé.

Cela fonctionne comme par magie. Après ce traitement, l’équipe a été ravie de constater que le cristal avait grossi d’environ 100 nanomètres. Cela peut sembler peu, mais cela représente 300 couches de dolomite nouvellement formées. Le maximum atteint auparavant en laboratoire était de cinq.

Les résultats sont également cohérents avec ce qui a été observé dans la nature. Il n’existe aujourd’hui que quelques endroits où la dolomite se forme, mais ce sont tous des endroits caractérisés par des cycles d’inondations suivis de conditions plus sèches.

Résoudre le problème de la dolomite est une réussite majeure. « Cette découverte ouvre la porte à l’étude du processus géochimique qui a influencé la formation de dolomies massives dans le monde naturel », a écrit Juan Manuel García Ruiz, qui n’a pas été directement impliqué dans les travaux, dans un article. Point de vue accompagnant l’étude.

Non seulement cela, mais apprendre à cultiver rapidement des cristaux sans défauts pourrait avoir des applications importantes pour la fabrication de nombreux composants essentiels de produits tels que les semi-conducteurs, les panneaux solaires et les batteries.

« Dans le passé, les cultivateurs de cristal qui voulaient fabriquer des matériaux impeccables essayaient de les cultiver très lentement », a expliqué Sun. « Notre théorie montre que vous pouvez cultiver rapidement des matériaux sans défauts si vous dissolvez les défauts périodiquement pendant la croissance. »

L’étude est publiée dans les sciences.

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