Las montañas Dolomitas, en el norte de Italia, tienen el nombre de un mineral. Ese mineral forma acantilados de miles de metros, aparece en Niagara Falls y en los mares del Caribe, y constituyó durante dos siglos uno de los enigmas más persistentes de la geología: se encontraba en cantidades enormes en la naturaleza, pero nadie podía fabricarlo en el laboratorio.
Un experimento específicamente diseñado para lograrlo fracasó durante treinta y dos años consecutivos antes de que sus responsables lo abandonaran. Otros intentos se acumularon durante décadas con el mismo resultado. El problema se llamó, con resignación científica, "el problema de la dolomita".
Esta semana, la revista Science publicó los resultados de un equipo de la Universidad de Michigan y la Universidad de Hokkaido que logró crecer dolomita en el laboratorio por primera vez. No mucha: unos 100 nanómetros, equivalentes a unas 300 capas del mineral. Pero el récord anterior eran cinco capas.
Por qué la dolomita resistió dos siglos de intentos
La dolomita es un carbonato doble de calcio y magnesio. Su estructura alterna capas de calcio y capas de magnesio de manera ordenada, como los pisos de un edificio bien construido. El problema es que al intentar crecer dolomita en el laboratorio, los átomos de calcio y magnesio no se ubican ordenadamente: se van colocando al azar, creando defectos estructurales que bloquean el crecimiento adicional del cristal.
En la naturaleza, este problema se resuelve con tiempo geológico. Las estimaciones indican que formar una sola capa bien ordenada de dolomita lleva aproximadamente diez millones de años. El proceso funciona porque los ciclos naturales de disolución —agua que circula, disuelve los defectos y permite que el cristal vuelva a crecer— se repiten millones de veces durante eon tras eon.
En un laboratorio, nadie tiene diez millones de años. Tampoco ciclos naturales de disolución que operen a esa escala. Por eso los intentos fallaban: reproducían las condiciones de temperatura y presión, pero no el mecanismo de corrección de errores que hace posible el crecimiento natural.
El pulsador de electrones
Wenhao Sun, profesor en Michigan, y su equipo llegaron a una hipótesis: si el problema son los defectos que se acumulan durante el crecimiento, la solución es disolverlos activamente mientras el cristal crece. No esperar a que la naturaleza lo haga sola, sino intervenir.
El método que desarrollaron usa un haz de electrones pulsado. Los pulsos de electrones dividen moléculas de agua en el entorno del cristal, generando ácido que disuelve los defectos en el momento en que se forman. El proceso se repitió 4.000 veces durante dos horas.
El resultado fue un cristal que creció unos 100 nanómetros —una fracción diminuta en términos absolutos, pero 60 veces más de lo que cualquier laboratorio había logrado antes.
Sun lo formuló como un principio transferible: "Nuestra teoría muestra que se pueden hacer crecer materiales libres de defectos rápidamente, si se disuelven los defectos periódicamente durante el crecimiento."
Lo que cambia para la tecnología
La relevancia del hallazgo va más allá de resolver un enigma académico sobre un mineral viejo. Los materiales que se fabrican en la industria tecnológica —semiconductores, celdas solares, baterías— tienen el mismo problema en versión acelerada: los defectos en los cristales degradan su rendimiento.
El proceso de fabricación de semiconductores modernos ya incorpora técnicas para controlar defectos, pero sigue siendo un desafío fundamental para el rendimiento de los chips. Comprender que la clave está en disolver defectos activamente durante el crecimiento —y haberlo demostrado experimentalmente en un sistema tan obstinado como la dolomita— da a los ingenieros de materiales un principio nuevo con el que trabajar.
La dolomita en sí misma también tiene aplicaciones: se usa en la industria del acero, en la fabricación de vidrio y cemento, y en algunos procesos de tratamiento de suelos agrícolas.
El experimento que falló treinta y dos años
La historia detrás del problema tiene una escala de tenacidad que merece mención separada. El experimento que fracasó durante tres décadas fue iniciado por investigadores que pusieron un cristal de dolomita en una solución de calcio y magnesio y esperaron. Esperaron un año, cinco años, diez. Los defectos seguían acumulándose. El cristal no crecía por encima de unas pocas capas.
El experimento fue finalmente discontinuado después de treinta y dos años. La solución, como ocurre frecuentemente en ciencia, llegó de un ángulo completamente diferente: no de manipular más los ingredientes, sino de entender el mecanismo de inhibición y atacarlo directamente.
Joonsoo Kim, el doctorando de Michigan que fue primer autor del trabajo, tomó un cristal de dolomita, lo colocó en la misma solución que el experimento fallido, y en lugar de esperar, lo bombardeó con pulsos de electrones. En dos horas logró lo que décadas de espera no pudieron producir.
Las Dolomitas siguen ahí, inmóviles. Pero el misterio que llevan el nombre ya tiene respuesta.
Fuente original: Science / ScienceDaily / University of Michigan
