«Πρόβλημα Δολομίτη»: Επιλύθηκε γεωλογικό μυστήριο 200 ετών

Ο οικισμός Αυλάκια της Ψερίμου το 1988 σε φωτογραφία του Ole Holbech.

Αριστερά η τοποθεσία Άσπρη Ζώνη απο δολοτιωμένους ασβεστόλιθους ηλικίας 145 εκ.ετών και δεξιά ο συνομήλικος λόφος Μέρμηγκας. Λιμάνι της Ψερίμου ή Porto di Pserimo για τους Ιταλούς.

Υπάρχει ένα καλό μυστικό για τον άριστο πηλό της Ψερίμου και αυτό έχει να κάνει με τον δολομίτη της.

Για να χτιστούν βουνά από δολομίτη, ένα κοινό ορυκτό, πρέπει να διαλύεται περιοδικά.

Για 200 χρόνια, οι επιστήμονες απέτυχαν να αναπτύξουν ένα κοινό ορυκτό στο εργαστήριο υπό τις συνθήκες που πιστεύεται ότι  σχηματίστηκε φυσικά.

Τώρα, μια ομάδα ερευνητών από το Πανεπιστήμιο του Μίσιγκαν (U-M) και το Πανεπιστήμιο Hokkaido στο Sapporo της Ιαπωνίας τα κατάφερε επιτέλους, χάρη σε μια νέα θεωρία που αναπτύχθηκε από ατομικές προσομοιώσεις. 

Η επιτυχία τους επιλύει ένα μακροχρόνιο γεωλογικό μυστήριο που ονομάζεται «Πρόβλημα των Δολομιτών». 

Ο δολομίτης, είναι ένα βασικό ορυκτό στις Δολομιτικές Άλπεις στην Ιταλία, στους καταρράκτες του Νιαγάρα, στους Λευκούς βράχους του Ντόβερ και στο Χουντού της Γιούτα, στην Ψέριμμο, στην Κω και σε διάφορα άλλα μέρη. 

Είναι πολύ άφθονο σε πετρώματα ηλικίας άνω των 100 εκατομμυρίων ετών, αλλά σχεδόν απουσιάζει σε νεότερους σχηματισμούς. Αυτό συμβαίνει στην Ψέριμμο και στην Κω.

«Εάν καταλάβουμε πώς αναπτύσσεται ο δολομίτης στη φύση, μπορεί να μάθουμε νέες στρατηγικές για να προωθήσουμε την ανάπτυξη των κρυστάλλων των σύγχρονων τεχνολογικών υλικών», δήλωσε ο Wenhao Sun, ο καθηγητής Dow Early Career of Materials Science and Engineering στο U-M και συγγραφέας της εργασίας που πρόσφατα δημοσιεύτηκε.

Το μυστικό για να αναπτυχθεί τελικά δολομίτης στο εργαστήριο ήταν η αφαίρεση των ελαττωμάτων στη δομή του ορυκτού καθώς μεγάλωνε. Όταν σχηματίζονται ορυκτά στο νερό, τα άτομα συνήθως εναποτίθενται τακτοποιημένα σε μια άκρη της αναπτυσσόμενης κρυσταλλικής επιφάνειας. Ωστόσο, το άκρο ανάπτυξης του δολομίτη αποτελείται από εναλλασσόμενες σειρές ασβεστίου και μαγνησίου. 

Στο νερό, το ασβέστιο και το μαγνήσιο θα προσκολληθούν τυχαία στον αναπτυσσόμενο κρύσταλλο δολομίτη, συχνά εγκαθίστανται σε λάθος σημείο και δημιουργώντας ελαττώματα που εμποδίζουν το σχηματισμό πρόσθετων στρωμάτων δολομίτη. Αυτή η διαταραχή επιβραδύνει την ανάπτυξη του δολομίτη σε ανίχνευση, που σημαίνει ότι θα χρειαστούν 10 εκατομμύρια χρόνια για να κατασκευαστεί μόνο ένα στρώμα διατεταγμένου δολομίτη.

 Ευτυχώς, αυτά τα ελαττώματα δεν είναι κλειδωμένα στη θέση τους. Επειδή τα διαταραγμένα άτομα είναι λιγότερο σταθερά από τα άτομα στη σωστή θέση, είναι τα πρώτα που διαλύονται όταν το ορυκτό πλένεται με νερό. Το επανειλημμένο ξέπλυμα αυτών των ελαττωμάτων - για παράδειγμα, με βροχή ή παλιρροιακούς κύκλους - επιτρέπει τη δημιουργία ενός στρώματος δολομίτη μέσα σε λίγα μόνο χρόνια. 

Κατά τη διάρκεια του γεωλογικού χρόνου, τα βουνά από δολομίτες μπορούν να συσσωρευτούν. Για να προσομοιώσουν την ανάπτυξη του δολομίτη με ακρίβεια, οι ερευνητές χρειάστηκε να υπολογίσουν πόσο ισχυρά ή χαλαρά θα προσκολληθούν τα άτομα σε μια υπάρχουσα επιφάνεια δολομίτη.

Οι πιο ακριβείς προσομοιώσεις απαιτούν την ενέργεια κάθε μεμονωμένης αλληλεπίδρασης μεταξύ ηλεκτρονίων και ατόμων στον αναπτυσσόμενο κρύσταλλο. Τέτοιοι εξαντλητικοί υπολογισμοί απαιτούν συνήθως τεράστια ποσά υπολογιστικής ισχύος, αλλά το λογισμικό που αναπτύχθηκε στο Κέντρο Επιστήμης Υλικών Προγνωστικής Δομής (PRISMS) της U-M προσέφερε μια συντόμευση.

 "Το λογισμικό μας υπολογίζει την ενέργεια για ορισμένες ατομικές ρυθμίσεις και στη συνέχεια προεκθέτει για να προβλέψει τις ενέργειες για άλλες ρυθμίσεις με βάση τη συμμετρία της κρυσταλλικής δομής", δήλωσε ο Brian Puchala, ένας από τους κύριους προγραμματιστές του λογισμικού και συνεργάτης ερευνητής στο Τμήμα U-M. Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών.

Αυτή η συντόμευση κατέστησε εφικτή την προσομοίωση της ανάπτυξης δολομίτη σε γεωλογικά χρονικά διαστήματα. "Κάθε ατομικό βήμα θα απαιτούσε κανονικά πάνω από 5.000 ώρες CPU σε έναν υπερυπολογιστή. Τώρα, μπορούμε να κάνουμε τον ίδιο υπολογισμό σε 2 χιλιοστά του δευτερολέπτου σε έναν επιτραπέζιο υπολογιστή", δήλωσε ο Joonsoo Kim, διδακτορικός φοιτητής επιστήμης και μηχανικής υλικών και ο πρώτος συγγραφέας της μελέτης. 

Οι λίγες περιοχές όπου σχηματίζεται ο δολομίτης σήμερα πλημμυρίζουν κατά διαστήματα και αργότερα στεγνώνουν, κάτι που ευθυγραμμίζεται καλά με τη θεωρία του Sun και του Kim. Αλλά τέτοια στοιχεία από μόνα τους δεν ήταν αρκετά για να είναι απολύτως πειστικά. Ο Yuki Kimura, καθηγητής επιστήμης υλικών από το Πανεπιστήμιο Hokkaido, και ο Tomoya Yamazaki, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του Kimura δοκίμασαν τη νέα θεωρία με μια ιδιορρυθμία ηλεκτρονικών μικροσκοπίων μετάδοσης. «Τα ηλεκτρονικά μικροσκόπια χρησιμοποιούν συνήθως δέσμες ηλεκτρονίων μόνο για την απεικόνιση δειγμάτων», είπε ο Kimura. "Ωστόσο, η δέσμη μπορεί επίσης να διασπάσει το νερό, το οποίο παράγει οξύ που μπορεί να προκαλέσει τη διάλυση των κρυστάλλων. Συνήθως αυτό είναι κακό για την απεικόνιση, αλλά σε αυτήν την περίπτωση, η διάλυση είναι ακριβώς αυτό που θέλαμε." 

Αφού τοποθέτησαν έναν μικροσκοπικό κρύσταλλο δολομίτη σε διάλυμα ασβεστίου και μαγνησίου, οι Kimura και Yamazaki κινούσαν απαλά τη δέσμη ηλεκτρονίων 4.000 φορές μέσα σε δύο ώρες, διαλύοντας τα ελαττώματα. 

Μετά τους παλμούς, ο δολομίτης φάνηκε να αναπτύσσεται περίπου 100 νανόμετρα - περίπου 250.000 φορές μικρότερος από μια ίντσα. Αν και αυτό ήταν μόνο 300 στρώματα δολομίτη, ποτέ δεν είχαν αναπτυχθεί περισσότερα από πέντε στρώματα δολομίτη στο εργαστήριο πριν.

Τα διδάγματα που αντλήθηκαν από το «Πρόβλημα του Δολομίτη» μπορούν να βοηθήσουν τους μηχανικούς να κατασκευάσουν υλικά υψηλότερης ποιότητας για ημιαγωγούς, ηλιακούς συλλέκτες, μπαταρίες και άλλη τεχνολογία. «Στο παρελθόν, οι παρατηρητές κρυστάλλων που ήθελαν να κάνουν υλικά χωρίς ελαττώματα προσπαθούσαν να τα καλλιεργήσουν πολύ αργά», είπε ο Sun. 

"Η θεωρία μας δείχνει ότι μπορείτε να καλλιεργήσετε υλικά χωρίς ελαττώματα γρήγορα, εάν διαλύετε περιοδικά τα ελαττώματα κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης.".

Γεωδίφης με πληροφορίες από το University of Michigan

περισσότερα,

https://news.umich.edu/200-year-old-geology-mystery-resolved/

https://www.labmanager.com/dolomite-problem-200-year-old-geology-mystery-resolved-31358