Un mystère minéral de 200 ans enfin percé par des scientifiques

Les origines millénaires d’un minéral omniprésent

Il y a des centaines de millions d’années, les créatures peuplant les mers primordiales mouraient et leurs restes dérivaient vers le fond des océans. Les fragments de squelettes et les coquilles échoués sur les fonds marins peu profonds ont été comprimés sous une pression extrême pendant des éons, finissant par former du calcaire. Au fil du temps, de l’eau riche en magnésium dissous a traversé cette roche calcaire, la recristallisant en carbonate de calcium et de magnésium, un minéral connu sous le nom de dolomite.

La majeure partie de la dolomite se présente sous forme de dolomie, un amalgame d’anciens os et coquillages qui scintille souvent avec des traces d’autres minéraux. Les cristaux de dolomite peuvent cependant apparaître d’eux-mêmes dans les roches sédimentaires et dans les dépôts provenant des veines hydrothermales souterraines chauffées par les coulées de magma.

Bien que ce minéral soit couramment trouvé dans des roches datant de plus de 100 millions d’années, sa formation récente reste rare. La croissance des cristaux s’opère lorsque des atomes s’attachent à la surface d’un cristal existant dans un ordre précis.

L’énigme scientifique des deux cents ans

La dolomite contient du magnésium, et lorsque le magnésium et le calcium sont comprimés ensemble au fil du temps, les deux minéraux finissent par s’attacher aux couches précédentes de manière aléatoire. Ce phénomène provoque des défauts structurels qui entravent la croissance du cristal. Les marées changeantes et la pluie nettoient périodiquement ces défauts, car les atomes instables mal placés dans le réseau cristallin ont tendance à se dissoudre dans l’eau.

Sans ce processus de dissolution naturelle, il faudrait environ 10 millions d’années pour former une seule couche de dolomite. Un tel délai aurait rendu ce matériau bien trop rare pour être utilisé dans le béton, la construction, la fabrication et diverses autres applications industrielles.

Pour ces mêmes raisons, chaque tentative de faire croître de la dolomite en laboratoire est restée vaine pendant deux siècles. Les solutions dans lesquelles les cristaux poussent doivent être sursaturées avec des niveaux élevés des éléments nécessaires. Cependant, la dolomite refuse de précipiter même dans des solutions sursaturées à température ambiante. Une expérience a consisté à tenter de la cultiver à partir d’une solution sursaturée mille fois, mais le processus a échoué en continu pendant 32 ans.

L’intelligence artificielle au service de la cristallographie

Une équipe de chercheurs a finalement compris comment reproduire ce phénomène. L’étude, récemment publiée dans la revue Science, a été dirigée par le scientifique des matériaux Wenhao Sun du Predictive Structure Materials Science (PRISMS) Center de l’Université du Michigan.

« La contradiction apparente entre les dépôts massifs de dolomite dans la nature et son incapacité à croître à partir de solutions sursaturées près des conditions ambiantes est un mystère de longue date connu sous le nom de ‘problème de la dolomite' », a expliqué Wenhao Sun. Pour résoudre ce problème vieux de plusieurs décennies, Sun et l’équipe PRISMS ont entraîné un logiciel à modéliser la formation défectueuse de la dolomite.

En prédisant la quantité d’énergie nécessaire pour que certains arrangements atomiques se produisent, puis en utilisant cette information pour déterminer la quantité d’énergie dont les futurs arrangements auront besoin, la formation de la dolomite a pu être simulée. Lorsque la croissance a d’abord été simulée à une sursaturation non diluée, elle a montré les défauts structurels typiques dus aux atomes désorganisés. L’équipe est ensuite passée à une sursaturation fluctuante, modélisée d’après les dépôts naturels de dolomite que l’on trouve généralement dans les zones côtières et les environnements recevant des précipitations. Trop d’eau rendrait la solution sous-saturée, mais cela laverait les atomes instables bloquant sa croissance. Ainsi, lorsque cet excès d’eau s’évapore, le minéral continue de croître.

Le détournement ingénieux des microscopes électroniques

Puisque Wenhao Sun souhaitait observer ce processus se produire réellement, l’équipe PRISMS a collaboré avec Yuki Kimura et Tomoya Yamazaki, chercheurs à l’Université de Hokkaido. Ces derniers avaient réalisé qu’un effet secondaire des microscopes électroniques en transmission constituait un atout pour leur quête visant à cristalliser la dolomite.

Les faisceaux d’électrons utilisés par ces microscopes pour l’imagerie peuvent diviser l’eau, créant ainsi un acide corrosif pour les cristaux. Ce qui s’avère souvent catastrophique pour les besoins de l’imagerie présente l’avantage de dissoudre les défauts obstructifs dans la dolomite.

Les deux équipes de recherche ont tiré parti de ce phénomène en pulsant de manière répétée un faisceau d’électrons sur la solution pendant deux heures, afin d’éliminer tout ce qui n’était pas à sa place. Sous ce traitement, les défauts dans les cristaux se développent plus lentement et se dissolvent plus rapidement car ils sont plus élevés en énergie.

De nouvelles perspectives pour l’industrie technologique

Ensemble, les équipes ont réussi à faire croître 300 couches de dolomite. Celles-ci restent invisibles à l’œil nu, mesurant environ 100 nanomètres, soit 1/250 000ème de pouce. Ce résultat dépasse de loin les expériences précédentes, qui n’avaient jamais pu obtenir plus de cinq couches. Cultiver de la dolomite ne nécessitera plus une échelle de temps qui voit plusieurs extinctions massives aller et venir avant d’en avoir suffisamment pour approvisionner l’industrie.

À l’avenir, les applications utilisant la dolomite, telles que les batteries, les semi-conducteurs et les panneaux solaires, pourraient bénéficier de cette percée permettant d’accélérer sa production matérielle.

« Les régions défectueuses sont plus élevées en énergie que les régions immaculées et vont donc se dissoudre plus rapidement et croître plus lentement, ce qui au fil du temps entraîne un flux net d’atomes des sites défectueux vers les sites immaculés », a déclaré Sun. « En introduisant délibérément des périodes de légère sous-saturation, on peut faciliter la dissolution des défauts, dont la dissolution se déroulerait autrement très lentement sous une forte sursaturation constante. »

Selon la source : popularmechanics.com