Dolomiti, su Science uno studio rivela come si forma la dolomite: risolto un problema di 200 anni
Le Dolomiti sono uno dei luoghi più iconici d’Italia, dove si trova un minerale tanto diffuso quanto difficile da spiegare: la dolomite. Questo carbonato di calcio e magnesio, alla base di paesaggi unici, ha posto per oltre due secoli un enigma scientifico, noto come il “problema della dolomite”: pur essendo abbondante nelle formazioni rocciose risalenti a centinaia di milioni di anni fa, la dolomite ma è quasi assente nelle formazioni più recenti. E soprattutto, è risultata impossibile da riprodurre in laboratorio. È proprio questo il paradosso che uno studio pubblicato su Science affronta direttamente, rivelando il processo con cui la dolomite riesce a formarsi nel tempo.
“Comprendere come produrla in ambienti controllati potrebbe avere conseguenze di vasta portata sul modo in cui promuoviamo la formazione minerale dei moderni materiali tecnologici” spiega Wenhao Sun, professore di Scienza e Ingegneria dei Materiali presso l’Università del Michigan e autore corrispondente dello studio. L’importanza di questo minerale va infatti ben oltre la curiosità accademica: la dolomite viene utilizzata nei materiali da costruzione come il calcestruzzo, così come nella produzione industriale, nelle batterie, nei semiconduttori e nei pannelli solari. La sua impossibilità di essere prodotta in laboratorio ha rappresentato a lungo un ostacolo silenzioso per le industrie che ne dipendono.
La scoperta che risolve il “problema della dolomite”
Dopo 200 anni di tentativi falliti, la svolta nel riuscire a riprodurre la dolomite in laboratorio è arrivata dalla comprensione di come si formano i cristalli e dei difetti che ne bloccano lo sviluppo. Il minerale è composto da strati alternati di calcio e magnesio ma, durante la crescita, questi elementi tendono a disporsi in modo disordinato, finendo spesso nel punto sbagliato.
Il disordine che ne deriva genera difetti che impediscono la formazione di nuovi strati, rallentandone drasticamente la crescita. In condizioni normali, servirebbero tempi estremamente lunghi – fino a 10 milioni di anni – per ottenere un singolo strato di dolomite. Il punto decisivo è che questi difetti non sono permanenti. Gli atomi fuori posto, meno stabili, possono dissolversi quando il cristallo entra in contatto con l’acqua.
In natura, processi ripetuti — come piogge o variazioni ambientali — permettono di eliminare progressivamente questi errori, consentendo alla struttura di continuare a crescere. “Invece di impiegare milioni di anni per un singolo strato, la dolomite può accumularsi gradualmente in intervalli molto più brevi – sottolineano i ricercatori – . Su lunghi periodi geologici, questo porta alla formazione dei grandi depositi che si osservano nelle antiche formazioni rocciose”.
Gli ambienti naturali in cui la dolomite si forma ancora oggi sono spesso soggetti a cicli di inondazioni seguiti da periodi di siccità, il che supporta la teoria dei ricercatori. Tuttavia, per verificare l’ipotesi, erano necessarie prove sperimentali dirette.
Come è stata ottenuta la dolomite in laboratorio
La verifica della crescita della dolomite è arrivata dal lavoro di Yuki Kimura, professore di scienza dei materiali all’Università di Hokkaido, e da Tomoya Yamazaki, ricercatore post-dottorato nel suo laboratorio. I due hanno sfruttato una proprietà insolita dei microscopi elettronici a trasmissione per ricreare il processo.
“I microscopi elettronici utilizzano solitamente fasci di elettroni solo per visualizzare i campioni – spiega Kimura – . Tuttavia, il fascio può anche scindere l’acqua, producendo acidi che possono causare la dissoluzione dei cristalli. Di solito questo è un problema per l'imaging, ma in questo caso la dissoluzione era esattamente ciò che volevamo”.
Kimura e Yamazaki hanno immerso un piccolo cristallo di dolomite in una soluzione contenente calcio e magnesio. Successivamente, hanno irradiato il campione con un fascio di elettroni per 4.000 volte nell’arco di due ore, dissolvendo ripetutamente i difetti man mano che si formavano.
Il risultato è stata una crescita di circa 300 strati di dolomite, con uno spessore complessivo di circa 100 nanometri, ancora invisibile a occhio nudo. Un balzo in avanti straordinario rispetto agli esperimenti precedenti, che non erano mai riusciti a superare i cinque strati.
“Abbiamo dimostrato che è possibile far crescere la dolomite rapidamente” ha concluso il professor Sun. “A patto di eliminare periodicamente i difetti durante il processo di crescita”.
