Dolomite : levée de voile sur le mystère de sa création et de sa reproductibilité
08 Décembre 2023 | Par Collectif d'auteurs traduction | Expertises gemmes
Le « problème des dolomites » qui a intrigué les scientifiques pendant des siècles pourrait enfin être résolu
Malgré des siècles de tentatives pour précipiter la dolomite en laboratoire, ce minéral géologiquement abondant est resté obstinément mystérieux. Mais aujourd’hui, une collaboration internationale de chercheurs pense avoir découvert la clé de la formation de dolomite en laboratoire : les cycles de saturation.
Découverte par le naturaliste français Déodat de Dolomieu il y a plus de 200 ans, la dolomite (CaMg(CO3)2) est un minéral carbonate de calcium et de magnésium. Les cristaux peuvent généralement être cultivés en laboratoire à partir de solutions plus saturées que ce qui est normalement possible – des solutions sursaturées. Cependant, bien que thermodynamiquement stable et géologiquement répandue, la dolomite refuse obstinément de se développer en laboratoire dans des conditions proches de la température ambiante à partir de solutions sursaturées. Le soi-disant problème de la dolomite « représente un mystère fondamental dans la théorie de la croissance cristalline », selon Wenhao Sun, spécialiste des matériaux à l’Université du Michigan, aux États-Unis.
À l’aide de simulations atomistiques, Sun et son équipe ont développé un mécanisme de formation de dolomite et ont proposé une solution au problème de la dolomite. Ils ont d’abord utilisé la théorie fonctionnelle de la densité (DFT) pour comparer la barrière de nucléation de la formation de dolomite avec celle d’autres minéraux carbonatés. Leur découverte selon laquelle son ampleur est similaire à celle de la calcite et de l’aragonite implique que la précipitation de la dolomite n’est pas limitée par la nucléation, mais par la croissance. En d’autres termes, la dolomite ne se forme pas dans des conditions de laboratoire en raison de difficultés de démarrage, mais plutôt à cause de problèmes ultérieurs au cours du processus.
Les cristaux de dolomite sont très ordonnés et présentent des couches de calcium et de magnésium séparées par des couches d’anions carbonate. En examinant le bord de croissance des cristaux de dolomite, Sun a eu ce qu’il a décrit comme le premier moment eurêka. « L’avantage de croissance a été commandé Mg/Ca/Mg/Ca/etc. Il est impossible que les ions de la solution puissent entrer dans cet ordre répétitif parfait ! L’entropie provoquerait du désordre. L’équipe de recherche a calculé que la formation de couches de dolomie ordonnées sur un substrat désordonné de « protodolomite » est énergétiquement défavorable et auto-limitée après quelques couches.
Le deuxième moment eurêka, explique Sun, est survenu lorsque son étudiant diplômé et premier auteur, Joonsoo Kim, a mis en avant une vidéo de Frances Ross du Massachusetts Institute of Technology lors d’une réunion de laboratoire. Ross a montré qu’en pulsant la tension pendant l’électrodéposition du cuivre, au lieu de dendrites fractales à potentiel chimique élevé, elle obtenait une croissance planaire plate. L’équipe s’est rendu compte qu’en passant de la sursaturation à la sous-saturation et vice-versa, les régions désordonnées de protodolomite se dissoudraient plus rapidement que celles ordonnées, et une surface de dolomite ordonnée émergerait progressivement. «Je me souviens avoir littéralement sauté de mon siège et applaudi à ce moment-là pendant la réunion de groupe. Je pense que j’ai peut-être effrayé mes élèves. C’était définitivement un moment classique d’Eureka !’ raconte Sun.
Pour confirmer expérimentalement leur hypothèse, Sun a contacté Yuki Kimura, spécialiste de l’interférométrie à croissance cristalline à l’Université d’Hokkaido au Japon. Il a suggéré d’utiliser la microscopie électronique à transmission de cellules liquides in situ avec un faisceau d’électrons pulsés pour abaisser le pH et déclencher la dissolution, une solution que Sun considère comme « si élégante ». L’équipe a placé une graine de dolomite cristalline de 3 µm dans une minuscule cellule fluide remplie d’une solution sursaturée de carbonate de calcium et de magnésium. Après 3 840 fluctuations du faisceau d’électrons sur 128 minutes, ils ont directement observé une croissance massive de dolomite d’environ 200 nm. Cela correspond à la culture d’environ 300 couches de dolomite – cinq était le maximum jamais cultivé en laboratoire auparavant.
«Il est un peu paradoxal de dissoudre votre échantillon pour favoriser une meilleure croissance des cristaux», explique Sun. “Mais l’histoire de la dolomite nous enseigne que les défauts des matériaux sont de haute énergie et que la dissolution éliminera d’abord ces régions défectueuses à haute énergie.”
Certains scientifiques restent sceptiques quant à l’applicabilité de ces découvertes à la nature. “Même s’ils étaient capables de synthétiser une dolomite ordonnée dans la phase expérimentale de leur étude, le cycle de l’état de saturation de la solution précipitante serait très difficile à invoquer pour l’origine de nombreuses (les plus) unités de dolomite massives de l’histoire géologique”, “, déclare Jay Gregg, professeur émérite de géologie à l’Oklahoma State University. Mais Sun n’est pas d’accord. «Les données géologiques sur l’endroit où la dolomite moderne se forme dans la nature concordent phénoménologiquement avec le concept de cycles de dissolution/reprécipitation», note-t-il. Nous avons découvert que tous les lieux de formation de dolomie sont associés à des cycles d’inondation puis d’évaporation, ce qui correspond parfaitement à notre idée de fluctuation de sursaturation.
Jennifer Roberts, géologue à l’Université du Kansas, aux États-Unis, estime également que ces preuves expérimentales peuvent s’appliquer aux milieux naturels. «Les travaux théoriques sont solides et établissent des liens légitimes avec des contextes environnementaux complexes», dit-elle. « Remettre en question l’opinion dominante selon laquelle une sursaturation persistante est nécessaire est particulièrement convaincante dans la mesure où cela se traduit dans les contextes modernes où nous observons une sursaturation/sous-saturation saisonnière ou épisodique. »
Sun espère que leurs travaux stimuleront de nouvelles tentatives pour tester leurs idées. «Ce que nous avons fourni dans notre travail est un mécanisme et une première tentative expérimentale pour valider le mécanisme.» Ce n’est certainement pas l’expérience finale et définitive. Il reste également ouvert à d’autres modalités de formation possibles. “Notre théorie n’est pas nécessairement le seul mécanisme par lequel la dolomite se forme, mais elle constitue une voie viable et sensée.”
Source (L'étude complète en anglais)