Сотрудники лаборатории природоподобных технологий и техносферной безопасности Арктики Кольского научного центра РАН при участии коллег из Московского государственного университета, Санкт-Петербургского государственного университета и Музейно-выставочного центра «Апатит» провели исследования механизма превращения паракелдышита в келдышит.

Также были уточнены химическая формула и кристаллическая структура келдышита. Открытие имеет не только фундаментальное значение для минералогии и геохимии, но и прикладную ценность в материаловедении.

Келдышит впервые найден в Ловозерском массиве Кольского полуострова в 1962 году и был вновь исследован с применением современных методов рентгеноструктурного анализа, сканирующей электронной микроскопии и химического микроанализа. Полученные данные показали, что практически все образцы, считавшиеся ранее келдышитом являются частично протонированным и обеднённым натрием паракелдышитом. Механизм трансформации и перехода из паракелдышита в келдышит был исследован с помощью лабораторных экспериментов по гидролизу паракелдышита в растворах соляной кислоты разной концентрации и при различных температурах.

Эксперименты показали, что уже в мягких условиях минерал теряет значительную часть натрия, а при увеличении концентрации кислоты и времени реакции в структуре начинает формироваться келдышит. Ключевым звеном механизма трансформации является образование прочной водородной связи в келдышите, которая отсутствует в изначальном паракелдышите. Эта связь запускает цепочку шарнирных деформаций в цирконий-кремний-кислородном каркасе, изменяя геометрию кристаллических каналов, по которым перемещаются ионы натрия. В результате часть натриевых позиций освобождается, а в структуре появляются вакансии, что радикально меняет её физико-химические свойства.

Уточнённая по результатам исследований формула келдышита — Na□ZrSi₂O₆(OH), где □ обозначает вакансии, подтверждает его статус как самостоятельного минерального вида. Недавно международной комиссией по новым минералам и номенклатуре для обоих минералов была предложена одна формула Na₂ZrSi₂O₇, что было опровергнуто результатами исследований. Как показала работа учёных, глубокий пересмотр старых данных с использованием современного новейшего оборудования может не только уточнить фундаментальные представления о составе и структуре минералов, но и дать импульс к разработке новых функциональных материалов.

Проведённое исследование стало весомым вкладом в развитие российской минералогической науки и материаловедения. Была уточнена кристаллическая структура минералов группы келдышита, что имеет значение для международной базы данных IMA, важно для фундаментальной минералогии. Выявлен механизм трансформации, позволяющий прогнозировать посткристаллизационные изменения и поведение минералов в природных условиях — это открывает возможность реконструкции геохимической истории формирования пород Ловозерского массива.

Также учёные выявили, что минералы этой группы обладают перспективными свойствами для применения в качестве ионных
проводников, молекулярных сит и сорбентов тяжёлых металлов. Контроль над структурой ионных каналов, а также знание влияния протонирования на их геометрию, открывает путь к целенаправленному синтезу материалов с заданными характеристиками.

Результаты исследования опубликоываны в журнале «Кристаллография».

Источник: пресс-служба Минобрнауки России.