Наука и технологии 21 сентября 2023

Каркас из зигзагообразных цепочек

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
Каркас из зигзагообразных цепочек
Соавторы публикации кандидат геолого-минералогических наук Андрей Шаблинский и кандидат химических наук Ярослав Бирюков
Ярослав Бирюков

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.

magnifier.png Процесс создания этих минералов определяется воздействием двух типов пород, раствора, температуры, давления, химического состава и геологического времени

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, около семи лет. Боратные и боросиликатные материалы уже широко применяются в современной технике, приборостроении, в лазерных технологиях. Поэтому, конечно, предпосылки к обнаружению интересных свойств были сразу. И в последнее десятилетие бораты переходных металлов привлекли большое внимание за счет того, что в них был открыт ряд явлений (нетривиальный магнетизм, геометрические фрустрации и другие) и полезных прикладных свойств, благодаря чему они активно изучаются. И, собственно, в нашей научной группе мы изучаем тепловые и магнитные свойства соединений, в том числе природных, чтобы на их основе разрабатывать новые синтетические минералоподобные материалы для различных приложений.

— В этих исследованиях участвовали несколько вузов и академических институтов. Казалось бы, ну что в одном кристалле можно исследовать в стольких институтах?

— Наш соавтор, член-корреспондент РАН, доктор геолого-минералогических наук Игорь Пеков — известный во всем мире минералог и первооткрыватель новых минералов. Некоторые находки редких минералов он передал нам для исследований, главным образом рентгендифракционных. А наши казанские коллеги проводят мёссбауэровскую спектроскопию. Мёссбауэровская спектроскопия — это работа с гамма-излучением. Чтобы поставить прибор у себя в организации, нужно получать разрешение. И это один из немногих центров в России, где имеется возможность проводить такие эксперименты при низких и высоких температурах.

magnifier.png «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»

— То есть распределение идет по направлениям возможных исследований, в зависимости от приборной базы того или иного коллектива?

— Да. Геологи находят редкие природные образцы. Химики-кристаллографы проводят химические анализы, рентгеновские исследования, изучают кристаллическую структуру в деталях, а физики занимаются физическими исследованиями — это мёссбауэровская спектроскопия, изучают магнитные свойства. В результате такого междисциплинарного подхода к объектам изучения получаются очень интересные результаты.

— 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 магматических пород с известняками, в результате чего спустя некоторое геологическое время получается такая жила (контакт) между магматической и осадочной горной породой, в том числе нередко обогащенная стратегическими полезными ископаемыми. 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, магматические породы «делятся» железом и титаном, а осадочные — кальцием и магнием. В нашем случае это магнезиальные скарны, богатые магнием. 


ЛЮДВИГИТ СХЕМА.jpg
Софья Дёмина

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 флюидов и 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. Если говорить проще, то процесс образования этих минералов можно свести к воздействию двух типов пород, флюидов, 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 и подарила нам знания об условиях их образования. Но у минералов, 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 в лабораториях. Но синтезируют весьма сложным методом флюса — кристаллизации из раствора в расплаве.

magnifier.png «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»

— И эти выращенные кристаллы как раз и используются в технике?

— Да, именно эти кристаллы. Но пока непосредственного практического применения они не нашли, поскольку активно ими начали заниматься чуть более десяти лет назад. А мировой опыт показывает, что от момента, когда эти интересные явления обнаружились в кристаллах, до того момента, пока они начнут широко применяться, могут пройти десятки лет. Пока я не видел подобных патентов, разработок. То есть пока это, скорее, 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 спинтроники, в частности в суперкомпьютерах.

— То есть показаны свойства, которые перспективны, но применение их потребует еще многолетней разработки, так?

— Может, не многолетней, но какое-то время еще должно пройти.

Еще по теме:
21.11.2023
Ученые физического факультета МГУ совместно с коллегами из Физического института имени П. Н. Лебедева РАН впервые предло...
08.11.2023
Чтобы предотвратить болезнь Альцгеймера и депрессию, нужно вдыхать разнообразные запахи и следить за состоянием обоняния
31.10.2023
1 ноября 1839 года родился выдающийся русский ученый и инженер Дмитрий Чернов. Он положил начало двум новым наукам — мет...
27.10.2023
Забор грунта с астероида Бенну и доставка материала для изучения на Землю — на сегодня это самая сложная из работ, когда...
Наверх