Des scientifiques ont résolu le "problème de la dolomite", un mystère qui a duré deux siècles

Après pas moins de deux siècles, les scientifiques ont enfin résolu un mystère géologique non négligeable : l'énigme autour de la dolomite, un matériau naturel courant qu'ils n'avaient jamais réussi à reproduire en laboratoire. Voici la solution qu'ils ont trouvée.

La dolomite dans la nature et en laboratoire

Didier Descouens/Wikimedia commons - CC BY-SA 4.0

La dolomite est au cœur du mystère pour les scientifiques depuis deux cents ans. La raison ? Ils n'ont jamais réussi à cultiver en laboratoire ce minéral courant dans les mêmes conditions où il s'est formé dans la nature depuis sa première identification en 1791. Cependant, il semble qu'une équipe de chercheurs ait enfin réussi dans cette entreprise. Les scientifiques impliqués, de l'Université du Michigan, États-Unis, et de l'Université Hokkaido de Sapporo, Japon, ont élaboré une nouvelle théorie basée sur des simulations atomiques. Cette étude résolutive met fin à un mystère géologique très ancien.

La dolomite est un minéral prédominant dans les montagnes italiennes, les Dolomites en particulier, mais aussi dans les chutes du Niagara, les Hoodoos de l'Utah et les falaises de Douvres. On la trouve en grande quantité dans les roches qui ont plus de cent millions d'années, mais elle est rarement présente dans les roches plus récentes. « La dolomite, un carbonate de calcium et de magnésium, est l'un des principaux minéraux présents dans les roches carbonatées. Cependant, cultiver le minéral en conditions de laboratoire s'est révélé très difficile, donnant lieu au 'problème de la dolomite' », indique l'étude.

Étant donné que la dolomite est très rare dans les roches jeunes, elle ne peut pas être reproduite artificiellement en laboratoire en simulant les conditions présentes il y a des centaines de millions d'années. Cependant, une nouvelle théorie a rendu cela possible, aidant les scientifiques à cultiver le minéral pour la première fois à température et pression normales : cela pourrait également expliquer la faible présence de la dolomite dans les roches jeunes.
Wenhao Sun, professeur Dow Early Career en science et ingénierie des matériaux à l'Université du Michigan et auteur de la recherche, a expliqué : « Si nous comprenons comment la dolomite se développe dans la nature, nous pourrions apprendre de nouvelles stratégies pour favoriser la croissance des cristaux des matériaux technologiques modernes. »

La théorie derrière la création de la dolomite en laboratoire

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Mais quelle a été la "formule magique" qui a rendu cette réalisation possible ? La clé a été de supprimer les défauts dans la structure de la dolomite pendant sa phase de croissance. Lorsque les minéraux se forment dans l'eau, en effet, les atomes ont tendance à se déposer de manière ordonnée sur un bord de la surface cristalline en cours de développement. Cependant, ce bord est composé de rangées alternées de magnésium et de calcium, qui dans l'eau finissent par s'agréger de manière aléatoire au cristal de dolomite. Cette disposition aléatoire pourrait créer des défauts ou se déposer à des endroits qui entravent le développement de couches supplémentaires de dolomite : à ce stade, pour générer une couche de dolomite ordonnée, dix millions d'années seraient nécessaires.

Cependant, ces défauts peuvent être éliminés : les atomes désordonnés sont en effet moins stables que ceux qui se trouvent dans la bonne position, donc ce sont les premiers à se dissoudre lorsque le minéral entre en contact avec l'eau de mer ou la pluie. En étant régulièrement lavée par la pluie ou les marées, une nouvelle couche de dolomite peut se former en quelques années, et au fil du temps géologique, elle finit par devenir une montagne de dolomite. Ainsi, pour simuler méticuleusement la croissance du minéral, les auteurs de l'étude ont dû calculer avec quelle intensité ou faible énergie les atomes s'agrègent à une surface de dolomite déjà existante, examinant chaque interaction individuelle entre les électrons et les atomes dans le cristal en phase de croissance.

Le secret permettant de recréer la dolomite en laboratoire a été découvert après 200 ans

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Pour effectuer ces calculs, le Centre de science des matériaux à structure prédictive (PRISMS) de l'UM a développé un logiciel qui s'est révélé extrêmement utile. Brian Puchala, l'un des principaux développeurs, a déclaré : « Notre logiciel calcule l'énergie pour certaines dispositions atomiques, puis l'extrapole pour prédire les énergies pour d'autres dispositions en fonction de la symétrie de la structure cristalline. »
Joonsoo Kim, premier auteur de l'étude et doctorant en science et ingénierie des matériaux, a ajouté : « Chaque étape atomique nécessiterait normalement plus de 5000 heures de CPU sur un superordinateur. Maintenant, nous pouvons effectuer le même calcul en 2 millisecondes sur un ordinateur de bureau. »

Les rares zones où la dolomite se forme à l'époque moderne ont tendance à être inondées par intermittence avant de sécher. Pour démontrer cette théorie, Yuki Kimura et Tomoya Yamazaki, respectivement professeur de science des matériaux à l'Université de Hokkaido et chercheur post-doctoral, ont utilisé des microscopes électroniques à transmission, qui « utilisent généralement des faisceaux d'électrons uniquement pour visualiser les échantillons. Cependant, le faisceau peut également diviser l'eau, produisant de l'acide qui peut provoquer la dissolution des cristaux. Habituellement, cela est nuisible à l'imagerie, mais dans ce cas, la dissolution est exactement ce que nous voulions. »
Kimura et Yamazaki ont placé un microscopique cristal de dolomite dans une solution de magnésium et de calcium, faisant pulser le faisceau d'électrons quatre mille fois en deux heures et dissolvant ainsi les défauts. Suite à cela, le minéral a commencé à croître à environ cent nanomètres, atteignant plus de trois cents couches. Jusqu'à présent, en laboratoire, seulement cinq couches avaient été cultivées au maximum.

« Dans le passé, les cultivateurs de cristaux qui voulaient produire des matériaux sans défauts essayaient de les cultiver très lentement. Notre théorie montre qu'il est possible de cultiver rapidement des matériaux sans défauts si ceux-ci s'éliminent périodiquement pendant la croissance », a expliqué Sun. Le problème de la dolomite a donc enfin été résolu.