Российский научный
фонд сообщил, что наши ученые впервые описали состав и структуру трех минералов
группы людвигита, которые имеют большое промышленное значение для добычи бора в
месторождениях на Чукотке и в Якутии. Полученные данные также помогут при
поиске и разработке новых материалов для суперкомпьютеров
Результаты
исследования, поддержанного грантом Президентской программы Российского
научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Acta Crystallographica Section B:
Structural Science, Crystal Engineering and Materials.
Людвигит — это
представитель одноименной группы минералов, в составе которого доминируют такие
элементы, как магний, железо и бор. В России месторождения боратных
людвигитовых руд находятся в Якутии и на Чукотке и разрабатываются для
получения борной кислоты и других соединений этого вещества.
В исследовании
принимали участие ученые из Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова
Российской академии наук (Санкт-Петербург) совместно с коллегами из Казанского
федерального университета, Санкт-Петербургского государственного университета и
Московского государственного университета имени М. В. Ломоносова, которые кроме
людвигита исследовали также минералы азопроит и вонсенит из этой группы. Химический
состав этих минералов обогащен разными элементами: людвигита — магнием,
азопроита — магнием и титаном, вонсенита — железом. Авторы определили
кристаллическое строение каждого минерала с помощью рентгенографии и спектроскопии,
в том числе в широком интервале температур. Оказалось, что кристаллическая
структура всех трех минералов напоминает каркас, сложенный зигзагообразными
цепочками из шестивершинников, состоящих из металла и кислорода, а в пустотах
этого каркаса находятся борокислородные треугольники.
Исследователи
впервые определили, что вонсенит обладает необычными магнитными свойствами — магнитным
упорядочением разной природы, локализованным в двух независимых подрешетках, — которые
ослабевают при повышении температуры. Это позволит разработать на его основе
синтетические материалы, размеры которых изменяются при намагничивании. Они
необходимы для изготовления элементов памяти нового поколения для суперкомпьютеров.
Ученые также
исследовали механизмы изменения свойств минералов при высоких температурах и
рассмотрели соединения, образующиеся в результате окисления входящего в их
состав железа и последующего разложения. Такие процессы происходят с минералами
в недрах Земли и в приповерхностных условиях, где на них воздействуют
повышенные температуры и давление.
Мы встретились с
руководителем проекта Ярославом Бирюковым, старшим научным сотрудником
Института химии силикатов имени И. В. Гребенщикова, чтобы обсудить подробности
исследования и полученных результатов.
— Каковы были цели исследования? Сразу предполагался
поиск кристаллов с такими особыми свойствами или это просто было текущее
исследование очередных кристаллов, в ходе которого обнаружились неожиданные
эффекты?
— Я этой темой
занимаюсь еще с магистерской работы, где-то с 2010-х годов. Эти боросиликатные
соединения уже широко применяются в современной технике, приборостроении, в
лазерных технологиях. И в последнее десятилетие они привлекли большое внимание
за счет того, что в них был открыт ряд полезных прикладных свойств, благодаря
чему они активно изучаются. И, собственно, в моей работе конкретно мы изучаем
тепловые и магнитные свойства, чтобы на их основе разрабатывать какие-то синтетические
материалы для различных приложений. Мы ищем новые структурные типы для
синтетических соединений на основе природных.
— В этих исследованиях участвовали несколько вузов и
академических институтов. Казалось бы, ну что в одном кристалле можно исследовать
в стольких институтах?
— У нас есть
соавтор, член корреспондент РАН Игорь Пеков. Он геолог, доктор
геолого-минералогических наук. Находит редкие кристаллы, кристаллы редких
минералов в своих экспедициях. И передает их нам, а мы у себя в институте проводим
рентгеноструктурный анализ. Рентгеновские методы все за нами. А наши казанские
коллеги проводят мёссбауэровскую спектроскопию. Мёссбауэровская спектроскопия —
это работа с гамма-излучением. Чтобы поставить прибор у себя в организации,
разрешение нужно получать. Поэтому их не так много в России. И это один из
немногих центров.
— То есть распределение идет по направлениям возможных
исследований, в зависимости от приборной базы того или иного коллектива?
— Да. Геологи
представляют образцы. Химики проводят химические анализы, рентгеновские
исследования, кристаллографы изучают кристаллическую структуру, смотрят, из
чего кристалл состоит, а физики занимаются физическими исследованиями — это
мёссбауэровская спектроскопия, изучают магнитные свойства.
— Как такие кристаллы возникают в природе? Это
следствие каких-то сложных температурных процессов?
— Все эти три
минерала, вонсенит, людвигит и азопроит, образуются в основном в скарнах.
Скарны являются продуктом реакционного взаимодействия контактирующих между
собой карбонатных и алюмосиликатных пород при участии высокотемпературных
постмагматических растворов в условиях прогрева внедрившейся силикатной магмой.
Например, на контакте с известняками. И как бы получается такая жилка между
магматической и осадочной горной породой. Она возникает в результате
воздействия глубинных флюидов, то есть жидких и газообразных легкоподвижных
компонентов магмы или циркулирующих в земных глубинах насыщенных газами растворов,
воздействия высоких температур и давлений, поскольку на контакте происходит
смятие. Флюиды несут в том числе бор, железо, титан. А со стороны осадочной
породы, известняков, поступает, например, кальций или магний. В нашем случае
это магний.
И в итоге под
влиянием температур и давлений возникает насыщенный многокомпонентный раствор.
И все эти компоненты взаимодействуют друг с другом. А еще помимо температур,
давления и химического состава вмещающих пород есть фактор времени. Чем больше
геологического времени проходит, а это миллионы лет, тем богаче кристаллизация,
тем она разнообразнее. Там будет больше разных по химическому составу минералов.
То есть процесс создания этих минералов определяется воздействием двух типов
пород, раствора, температуры, давления, химического состава и геологического времени.
— А можно ли все эти кристаллы выращивать
искусственно? Тем более что они интересны с точки зрения применения в технике?
Или все-таки искусственно, в лаборатории, не воспроизведешь все эти процессы?
— В этом наш путь
и заключается. Мы идем от природных минералов, которые уже за нас вырастила
природа. Но у них, конечно, есть ряд недостатков, прежде всего различные
примесные элементы. И поэтому в высокотехнологичных приложениях их особо не
используешь. Поэтому аналоги именно этих минералов — вонсенита, азопроита, людвигита
— синтезируют. Но синтезируют сложным методом флюса — кристаллизации из
раствора в расплаве.
— И эти выращенные кристаллы как раз и используются в
технике?
— Да, именно эти
кристаллы. Но пока непосредственного практического применения они не нашли, поскольку
ими заниматься начали только десять лет назад. А мировой опыт показывает, что
от момента, когда эти интересные явления обнаружились в этих кристаллах, до
того момента, пока они начнут широко применяться, могут пройти десятки лет.
Пока я не видел подобных патентов. То есть пока это фундаментально хорошо
обоснованные возможности для того, чтобы в будущем это пригодилось.
— В сообщении о вашем открытии говорится, что эти
кристаллы могут подойти для элементов памяти в суперкомпьютерах…
— Действительно, те
магнитные свойства, которые у нас показал природный вонсенит при низких
температурах, до пяти Кельвинов, могут найти свое приложение в элементах нового
поколения магнитно-резистивной памяти и в других приложениях в суперкомпьютерах
и в спинтронике.
— То есть показаны свойства, которые перспективны, но
применение их потребует еще многолетней разработки, так?
— Может, не
многолетней, но какое-то время еще должно пройти.