Современную жизнь невозможно представить без минералов. Корни практически любых современных открытий и разработок в области материаловедения, промышленности и технологий лежат именно в исследовании природного вещества. Минералогия по праву считается одним из самых древних научных направлений, зародившимся еще в античные времена.
Юингит
Фото: Hudson Institute of Mineralogy
Юингит
Фото: Hudson Institute of Mineralogy
Хотя современные исследования показывают, что «высокотехнологичное» использование минералов началось еще раньше, в каменном веке, все же научный расцвет изучения минералов начался немногим более века назад, когда точные кристаллографические исследования, такие как рентгеноструктурный анализ, значительно повысили ценность результатов минералогических и материаловедческих изысканий. Что примечательно, развитие этого научного направления все еще продолжается, так как учеными по всему миру ежегодно открывается около ста новых минералов, ряд из которых обладают потенциально интересными характеристиками и свойствами. И если минералогия является неиссякаемым источником новых веществ, то кристаллография позволяет получить наиболее важную информацию — о структуре природных кристаллических веществ, так как именно строение и состав вещества определяют проявление любых свойств.
Но что делать, если интересные с точки зрения современных технологий вещества вырастают в природе в очень малых количествах. Зачастую это могут быть всего несколько кристалликов размером меньше миллиметра. В такой ситуации на подмогу минералогии и кристаллографии приходит третье научное направление — химия. С помощью методов химического синтеза в лабораторных условиях можно воспроизвести природное соединение. Стоит сказать, что такая задача не является тривиальной. Например, минерал полингит, названный в честь выдающегося химика Лайнуса Полинга, относится к классу цеолитов и обладает уникальной пористой структурой, что позволяет использовать его в ионообменных реакциях как губку или сито (избирательно поглощать или пропускать различные молекулы и ионы). Так вот, несмотря на открытие этого минерала еще в 1960 году и большой опыт получения различных цеолитов в промышленных масштабах, получить аналог этого минерала в лабораторных условиях пока так и не удалось.
У задачи воспроизведения минералов в лабораториях есть и другая не менее важная цель. Дело в том, что минералы являются конечным продуктом реакций, которые протекают на геологических объектах и о которых ученые зачастую имеют только очень приблизительное представление. Понимание же этих механизмов очень важно с точки зрения окружающей среды.
Особенно актуальным вопрос безопасности становится, когда речь заходит про соединения, содержащие токсичные для человека элементы. К таким соединениям относятся различные минералы урана, которые образуются в пределах урановых месторождений, в хранилищах радиоактивных отходов, а также на объектах радиационных аварий.
Дендритный агрегат синтетического юингитоподобного соединения (СЮ), окруженный мелкокристаллическим порошком кальцита (a); СЭМ-изображение кристаллов СЮ (b) и строение уран-карбонатнного нанокластера (c)
Дендритный агрегат синтетического юингитоподобного соединения (СЮ), окруженный мелкокристаллическим порошком кальцита (a); СЭМ-изображение кристаллов СЮ (b) и строение уран-карбонатнного нанокластера (c)
В 2015 году в выработанной урановой шахте Плавно (Чешская Республика) был обнаружен уникальный по своему строению и составу минерал юингит, который назвали в честь известного минералога и материаловеда профессора Родни Юинга. Основу кристаллической структуры юингита составляют нанокластеры из атомов урана и карбонатных групп. Подобные наноразмерные структурные комплексы не были известны до открытия минерала ни в природе, ни среди синтетических соединений, поэтому неудивительно, что возникло желание попытаться воссоздать это уникальное творение природы в лабораторных условиях. У сотрудников кафедры кристаллографии Института наук о Земле Санкт-Петербургского государственного университета имеется довольно богатый и весьма успешный опыт исследования соединений урана, в том числе и синтеза аналогов минералов. Но даже имея за плечами четвертьвековой багаж теоретических знаний и практических навыков, работа по получению синтетического аналога юингита растянулась на почти полтора года. И это не удивительно, ведь минерал в природе был обнаружен в виде нескольких зерен, а значит, его образование является следствием очень узкого интервала термодинамических параметров и концентраций веществ, которые как раз и предстояло подобрать. Кроме того, важно было не просто получить вещество, но и вырастить монокристаллы, так как природные кристаллы юингита были не самого хорошего качества, а значит, и модель кристаллической структуры вызывала ряд сомнений. Вот на подбор условий, налаживание протокола синтеза для получения достаточно крупных кристаллов, которые позволили получить достоверную структурную модель, и ушло около полутора лет. Монокристаллы аналога юингита получили, комбинируя низкотемпературный гидротермальный синтез и метод испарения при комнатной температуре. Стоит отметить, что по современным меркам для исследовательских задач довольно «крупным» считается монокристалл размером 0,1 мм, чего и удалось добиться. В результате кристаллографических исследований синтетической фазы удалось значительно улучшить структурную модель, выявив при этом ряд недочетов в оригинальном исследовании, связанных с не очень хорошим качеством минерального вещества. Соединение, полученное в рамках данных исследований, несколько отличается по составу от природного вещества. Например, в структуре минерала уранкарбонатные кластеры связываются через атомы магния и кальция, а синтетическое соединение содержит только кальций. Но это никак не сказывается на принципе упаковки нанокластеров в кристаллической структуре, что в данном случае играет определяющую роль.
Возвращаясь к ценности мультидисциплинарных исследований, расположенных на пересечении таких наук, как кристаллография, минералогия, радиохимия и материаловедение, необходимо отметить еще и фактор экологической безопасности. На месторождениях урана, в том числе и выработанных, как шахта Плавно, содержится значительное количество урана, который довольно легко в условиях окружающей среды переходит в растворенную форму, а значит, может легко переноситься грунтовыми водами. Понимание механизмов минералообразования, в результате которого образуется в том числе и юингит, появляется возможность контролировать процессы выноса урана в окружающую среду. Или, наоборот, можно создать такие условия, при которых будет возможно перевести уран в растворенную форму, чтобы он стал менее опасен для человека в конкретной локализации.
Использованы материалы статьи.