Ben je geïnteresseerd in de wereld van wetenschap & technologie en wil je hier graag meer over lezen? Word dan lid van KIJK!
Wetenschappers hebben dolomiet laten groeien in het lab. Ze denken daarmee het zogenoemde dolomiet-probleem te hebben opgelost.
De Dolomieten in Italië, de rotsen onder de Niagara-watervallen in de VS en Canada en de witte krijtrotsen van Dover. Allemaal bestaan ze voor een groot gedeelte uit het mineraal dolomiet. Maar hoe zijn die beroemde rotsformaties ontstaan? Om dit te weten te komen willen wetenschappers dolomiet namaken in het lab. En dat is nu na 200 jaar proberen eindelijk gelukt. Zo schrijft een team van de University of Michigan in Science.
Lees ook:
- Picture Perfect: moordend mooi
- Onderzoekers presenteren nieuwe mineralenatlas
- Blijven bergen altijd groeien?
Dolomiet-probleem
De genoemde gesteentes zijn al veel ouder dan 100 miljoen jaar. Jongere rotsformaties bevatten geen of maar heel weinig dolomiet. Dat is eigenlijk heel gek. Geologen breken zich al jaren het hoofd over dit zogenoemde dolomiet-probleem.
In het lab dolomiet namaken was toe nu toe ook een helse klus. Zelfs in dezelfde omstandigheden als in de natuur (zelfde temperatuur, vochtigheid enzovoorts), wilde het kristal maar niet groeien. Wenhao Sun en collega’s besloten de kristalstructuur van dolomiet nader te bekijken, om erachter te komen waarom.
Verkeerde plek
Een kristal ontstaat normaal gesproken in een waterige oplossing. Bij de groei moeten de atomen laagje voor laagje steeds netjes gerangschikt worden. Bij dolomiet betekent dat afwisselende rijen van calcium en magnesium, met laagjes carbonaat ertussen.
Eerst wilden de onderzoekers die hechting van atomen op het kristaloppervlak op een computer simuleren. Daarvoor was het nodig de energie te berekenen voor álle interacties tussen elektronen en protonen. En dat zijn er gigantisch veel. Door speciale software te gebruikten die de energie kon voorspellen, kregen Sun en zijn team het toch voor elkaar.
Wat bleek? Tijdens de groei van een dolomiet-kristal worden er nogal wat foutjes gemaakt; calcium- of magnesium belandden weleens eens op de verkeerde plek. Dan ontstaan er oneffenheden en die vertragen de groei van het kristal. Volgens de onderzoekers duurt het dan zeker 10 miljoen jaar voor slechts één netjes geordende atoomlaag dolomiet is ontstaan.
Stoelendans
Sun en collega’s vonden ook een manier om die oneffenheden in de kristalstructuur te herstellen. Omdat die verkeerd zittende calcium- en magnesium-atomen niet erg stabiel zijn, lossen ze makkelijk op. Oftewel; je kunt ze gewoon wegspoelen, waarna de groei van dolomiet kan doorgaan.
“Door die afwisseling in calcium- en magnesium-atomen lijkt de groei van dolomiet wel een beetje op een extra lastige stoelendans, waarbij iedereen maar op één type stoel mag zitten”, legt geochemicus en mineraloog Mariëtte Wolthers van de Universiteit Utrecht – niet betrokken bij de studie – uit. “Als de muziek stopt, en iedereen gaat zitten, zit bijna iedereen fout. Maar de muziek begint weer en iedereen die niet goed zit, staat weer op. Na genoeg rondes (van wegspoelen) zit uiteindelijk iedereen goed.”
Regelmatige regenbuien of zelfs overstromingen, gevolgd door periodes van droogte, hebben zo in de loop der miljoenen jaren gezorgd voor dolomiet-gesteentes. En hoe langer het gesteente daaraan bloot staat, hoe groter het wordt. Vandaar dat de meeste grote formaties in de natuur vrij oud zijn. “De onderzoekers hebben een mooie en simpele oplossing voor het dolomiet-probleem bedacht”, geeft Wolthers aan.
300 lagen
Maar nu nog dolomiet in het lab maken volgens die theorie van het wegspoelen. Daarvoor gebruikten Sun en zijn team een transmissie-elektronmicroscoop. Zo’n microscoop maakt beelden door een elektronenbundel op een monster af te sturen. Maar die bundel kan ook water zurig maken. En zurig water is nóg beter in staat om mineralen op te lossen.
En dus zetten de onderzoekers een kleine dolomiet-kristal onder een microscoop die in 2 uur tijd 4000 elektronenpulsen afgaf. Daarna bleek het kristal met 100 nanometer, ofwel de dikte van mensenhaar gedeeld door 700, te zijn gegroeid. Voorheen kwamen wetenschappers nooit verder dan slechts 5 lagen dolomiet; dat zijn er nu maar liefst 300.
CO2 opslaan
“Het is een fascinerende bevinding dat je dolomiet juist makkelijker kunt vormen als je het in tussentijdse stapjes op laat lossen”, vertelt Wolthers. “Tot nu toe hebben geologen geprobeerd het kristal te maken op een manier die lijkt op slechts één ronde stoelendans, waarbij iedereen blijft zitten. Maar nu – door meerdere rondes van wegspoelen – zou het volgens mijn berekening moeten kunnen lukken om het kristal tot 2 centimeter groter te laten groeien in minder dan 1,5 jaar! Ook al is dit bij 80 graden Celsius; dat is een heel gebruikelijke temperatuur in de ondergrond.”
Ook geochemicus Monica Sanchez-Roman van de VU Amsterdam is blij met de nieuwe studie. “Het geeft een goede theoretische verklaring over hoe dolomiet groeit.” Toch is ze ook kritisch. “Wat mij betreft is nog wel aanvullend bewijs nodig. Dat kan bijvoorbeeld door extra experimenten in het lab en met natuurlijke dolomiet-monsters.”
De strategie die de onderzoekers ontwikkelden is trouwens ook nog eens daadwerkelijk bruikbaar, geeft Wolthers aan. “Een heel directe toepassing is het opslaan van koolstofdioxide (CO2) in het kristal; het bestaat namelijk voor de helft uit carbonaat dat gevormd is uit CO2. Maar je kunt ook denken aan het maken van slimme op kristallen gebaseerde materialen in bijvoorbeeld zonnecellen, katalysatoren en halfgeleiders.”
Bronnen: Science, University of Michigan via EurekAlert!
Beeld: CC SA 3.0