Bijna tweehonderd jaar lang proberen geologen zonder enig succes het gesteente dolomiet na te bouwen in een laboratorium. Nu is het eindelijk gelukt.

Materiaalwetenschapper Wenhao Sun en zijn collega’s van de Universiteit van Michigan in de VS hebben dolomiet in een lab laten groeien. Hiermee geven ze als eerste antwoord op het eeuwenoude dolomiet-probleem.

Dolomiet

Dolomiet is een gesteente dat over de hele wereld voorkomt. Het is in de 18e eeuw ontdekt in de bergen van Noord-Italië door Franse geoloog Déodat de Dolomieu. Zowel het gesteente als het mineraal waaruit het bestaat, dolomiet, is naar hem vernoemd, net als het gebergte waarin het voor het eerst gevonden is, de Dolomieten.

Onderzoekers doen nog steeds allerlei wonderlijke ontdekkingen over ijs
LEES OOK

Onderzoekers doen nog steeds allerlei wonderlijke ontdekkingen over ijs

Vroeger zagen mensen ijs als iets wonderlijks, terwijl je het nu zelfs hartje zomer gewoon uit de vriezer haalt. Max Leonard vindt dat we dit bevroren ...

Dolomiet is een broertje van kalksteen, dat je kent van de kalkaanslag in je waterkoker. Net als kalk bestaat dolomiet uit calcium en carbonaat-deeltjes die in een kristalstructuur aan elkaar verbonden zijn. In dolomiet zitten daarbij ook magnesium-deeltjes.

Probleem

Gewoonlijk groeit een mineraal, zoals kalk, vanzelf als het omgeven is door een oplossing met genoeg van de juiste bouwstenen, zoals calcium en carbonaat. Bij dolomiet werkt dat echter niet. In een bekend experiment lieten wetenschappers een stuk dolomiet wel 32 jaar lang in een reactievat zitten, waarna het nog steeds niet gegroeid was. ‘Dat is vrij demotiverend natuurlijk’, zegt mineraalexpert Mariette Wolthers van de Universiteit Utrecht.  

Het niet kunnen kweken van dolomiet in een lab staat onder geologen bekend als ‘het dolomiet-probleem’. Na bijna 200 jaar zonder vooruitgang, is er nu eindelijk een oplossing. Sun en zijn collega’s hebben ontdekt dat het herhaaldelijk afbreken van dolomiet wél tot groei leidt, schrijven ze in het wetenschappelijk tijdschrift Science

Dolomiet uit de persoonlijke stenen-verzameling van onderzoeker Wenhao Sun. Beeld: Marcin Szczepanski, Lead Multimedia Storyteller, Michigan Engineering.

Foute bouwsteentjes

Dolomiet bestaat uit verschillende laagjes, die elk bestaan uit afwisselende rijen calcium, carbonaat en magnesium-ionen (atomen of moleculen met een elektrische lading). Als het mineraal groeit, moeten calcium en magnesium op precies de juiste plek zitten. Als ze op de verkeerde plek zitten, passen ze niet goed in de kristalstructuur, en zitten ze elkaar in de weg. Dat blokkeert de groei van een nieuwe laag.

Sun en zijn collega’s berekenden met een computersimulatie hoe sterk de deeltjes in dolomiet met elkaar verbonden zijn. Ze zagen dat deeltjes die op de foute plek zitten, zwakker verbonden zijn met het mineraal dan deeltjes op de juiste plek. Dat betekent dat foute deeltjes sneller losbreken wanneer het mineraal in zuur water wordt opgelost.

Om dit te testen, legden de onderzoekers dolomiet in een oplossing van 80 graden Celsius. Daarna beschoten ze het geheel met een bundel elektronen, waardoor de watermoleculen in de oplossing uiteenvielen en de zuurgraad (pH) lager werd. In de zuurdere omgeving loste het mineraal op en braken vooral de foute deeltjes los. Toen de onderzoekers de elektronenstraal weer uitzetten, namen nieuwe deeltjes hun plek in.

Zo wisselden de onderzoekers 128 minuten lang tussen 10 milliseconden met de elektronenstraal aan en 2 seconden met de straal uit, waarbij steeds de foute deeltjes van het mineraal afbraken en nieuwe deeltjes hun plek innamen. Sommige kanten van de steen groeiden meer dan andere kanten. Uiteindelijk groeide het dolomiet zo’n 200 tot 560 nieuwe atoomlagen. Samen is dat zo’n 60 tot 170 nanometer dik, ongeveer net zo dik als een griepvirusdeeltje. ‘Het is net een soort stoelendans, waarbij iedereen uiteindelijk op de goede plek terechtkomt’, zegt Wolthers, die niet bij het gepubliceerde onderzoek betrokken was.

Dolomiet bestaat uit lagen met afwisselende rijen magnesium (oranje), carbonaat (grijs) en calcium (blauw). Beeld: Joonsoo Kim, materials science and engineering, University of Michigan.

Bergen

De oplossing voor het dolomiet-probleem is dus uiteindelijk best simpel: je moet het dolomiet herhaaldelijk oplossen. ‘Achteraf gezien klinkt het heel logisch’, zegt Wolthers. Toch duurde het bijna tweehonderd jaar voordat iemand eraan dacht. Je bent nou eenmaal gewend om kristallen op een bepaalde manier te groeien, en dat is dus niet door het tussentijds op te lossen, zegt Wolthers.  

Door de bevindingen snappen we nu eindelijk ook hoe dolomietgesteente in de natuur ontstaat. ‘Die dynamiek van oplossen en vorming zag ik ook bij de dolomietgesteentes die ik in de bergen heb gezien’, zegt Wolthers. ‘Maar ik had niet de link gelegd dat het ook op atoomschaal belangrijk is’.

Of dit mechanisme het ontstaan van dolomiet helemaal verklaart, moet nog blijken. Volgens het onderzoek groeit één atoomlaag dolomiet pas na ongeveer tien oplossingscycli. ‘Is dat snel genoeg om die grote pakketten te verklaren die in ons geologisch verleden gevormd zijn? Of is daar nog meer voor nodig, zoals de micro-organismen waarvan al vaker gesuggereerd is dat ze een belangrijke rol spelen?’, vraagt Wolthers zich af. Ook de onderzoekers geven aan dat dat verder onderzocht moet worden.

Een ding is zeker. Een nieuwe deur gaat open in de wetenschap. ‘Het dolomiet-probleem is echt een bekend probleem in de geologie, en dit is de eerst goede suggestie die we hebben’, zegt Wolthers. ‘Het is dus wel echt een eureka-moment’.