Уточнена структура арктита
Коллектив исследователей из Кольского научного центра РАН, Института геологии и геохимии им. А.Н. Заварицкого УрО РАН, ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН и Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова впервые детально описал сложную кристаллическую структуру редкого минерала арктита.
Авторам работы удалось уточнить атомную архитектуру минерала и установить, что его термостойкая кристаллическая решётка эффективно преобразовывает ультрафиолетовое излучение в видимый свет. Благодаря этому минерал рассматривается как инженерный прототип для синтеза искусственных люминофоров, необходимых для современных светодиодов и лазерных технологий. Результаты работы опубликованы в журнале Physics and Chemistry of Minerals.
Люминесценция минералов в арктитосодержащей породе при облучении УФ-излучением с длиной волны 365 нм: арктит (синий) и содалит (оранжевый). Ширина поля зрения составляет 1,5 см
Арктит — эндемик Хибинского массива на Кольском полуострове, редкий фосфат кальция, натрия и бария. Более 40 лет он считался минералогической редкостью, известной лишь по единичным находкам. Поводом для нового масштабного исследования стала неожиданная находка осенью 2022 года: при обследовании отвалов горных пород, извлечённых из Юкспоррского массива с помощью портативного источника ультрафиолета были обнаружены многочисленные зёрна этого минерала, обладающие яркой голубой люминесценцией. Ранее уже было предположено, что свечение арктита связано с ионами европия и самария.
Чтобы точно установить природу центров люминесценции и механизмы передачи энергии в этой сложной матрице, потребовалось заново исследовать кристаллическую структуру минерала с привлечением комплекса современных аналитических методов.
Кристаллическая структура арктита: (a) общий вид, (b) слой I и (c) слой II
Применив рентгеноструктурный анализ, электронную микроскопию, а также инфракрасную и рамановскую спектроскопию, авторы работы точно определили, как именно атомы различных химических элементов заселяют позиции в кристаллической структуре. Специалисты Лаборатории арктической минералогии и материаловедения, и Геологического института КНЦ РАН организовали полевые работы, сбор образцов, рентгеноструктурный анализ и концептуальное руководство проектом. Сотрудники ИГГ УрО РАН провели электронно-зондовый микроанализ, а с помощью рамановской спектроскопии исследовали поведение арктита при изменении температуры. Представители химического и геологического факультетов МГУ обеспечили проведение ключевых спектроскопических исследований люминесценции. Сотрудники ФИЦ ПХФ И МХ РАН внесли вклад в инфракрасную спектроскопию и методологическое сопровождение работы.
Известно, что арктит относится к семейству антиперовскитов — материалов с особой, очень прочной кристаллической решёткой. Эта структура состоит из чередующихся слоёв: одни образованы крупными икосаэдрами бария, связанными через фосфатные тетраэдры, другие содержат анион-центрированные тримеры. Такая плотная и жёсткая упаковка атомов обеспечивает минералу высокую термостабильность, позволяя выдерживать нагрев до 500 °С без разрушения решётки.
Октаэдры с анионным центром в кристаллической структуре арктита: общий вид (a) и октаэдрический тример (b)
Одним из наиболее интересных результатов стало обнаружение в исследованном образце ранее не отмеченных для арктита компонентов, содержащих водород. В структуре установлено присутствие гидроксильных групп, гидрофосфатных групп, а также положительно заряженных ионов водорода.
Детальное изучение люминесценции подтвердило, что яркое голубое свечение под действием ультрафиолета обеспечивают изоморфные примеси редкоземельных элементов — ионов церия и самария. Ионы церия работают как сенсибилизаторы: они эффективно поглощают энергию и передают её ионам самария, заставляя их светиться. Арктит представляет собой своеобразный готовый инженерный прототип. Синтезировать сложные многокомпонентные структуры «с нуля» требует значительных ресурсов, а когда учёные полностью расшифровали природный «чертёж» прочного кристаллического каркаса и механизмы передачи энергии внутри него, появилась возможность перенести его в лабораторию и наладить создание синтетических аналогов. Такие искусственные люминофоры могут стать основой для нового поколения сверхъярких и термостойких оптических материалов.
Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания 122011300125–2, 124013100858-3 и 123011800012-9.
Источник: пресс-служба Минобрнауки России.
