Российские ученые впервые описали состав и структуру, а также сопоставили физические свойства трех минералов группы людвигита, которые имеют большое промышленное значение для добычи бора на месторождениях на Чукотке и в Якутии. Полученные данные также помогут при поиске и разработке новых материалов для суперкомпьютеров, которые могут изменять свои размеры и форму при намагничивании. Исследование поддержано грантом Президентской программы Российского научного фонда (РНФ).
Соавторы публикации кандидат химических наук Ярослав Бирюков и кандидат геолого-минералогических наук Андрей Шаблинский
Фото: Ярослав Бирюков
Соавторы публикации кандидат химических наук Ярослав Бирюков и кандидат геолого-минералогических наук Андрей Шаблинский
Фото: Ярослав Бирюков
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. Борная кислота широко применяется в сельском хозяйстве в качестве удобрения и дезинфицирующего средства, в химической промышленности и других отраслях.
На сегодняшний день известно семь минералов группы людвигита. Ученые из Института химии силикатов им. И. В. Гребенщикова Российской академии наук (Санкт-Петербург) совместно с коллегами из Казанского федерального университета (Казань), Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург) и Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова (Москва) исследовали три из них: людвигит, азопроит и вонсенит. 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.
Температурно-зависимые свойства оксоборатов групп людвигита
Фото: Софья Дёмина
Температурно-зависимые свойства оксоборатов групп людвигита
Фото: Софья Дёмина
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. Поскольку в азопроите и людвигите содержание магния больше, чем железа, магнитные свойства в них не проявляются. Благодаря этому можно спрогнозировать, что у синтетически разработанных аналогов на основе азопроита и людвигита магнитных свойств не будет. Знание подобной зависимости упростит подбор химических составов для разработки новых материалов, необходимых для перспективных отраслей электроники.
Ученые также исследовали механизмы, по которым при высоких температурах у минералов изменяются свойства, 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. Авторы выяснили, что из-за окисления железа в людвигите при нагревании до 330°С структура минерала становится нестабильной, претерпевает необратимые изменения, и, достигая определенного предела, минерал поэтапно разлагается на гематит, структурно близкий ему варвикит и магнетит. При дальнейшем повышении температуры до 1300°С происходит плавление остатков людвигита. Полученная информация может помочь отследить этапы минералообразования в горных породах, содержащих минералы группы людвигита, и связанных с ними месторождениях и залежах руды. Это будет полезно при добыче бора из людвигитовых руд и оптимизации связанных с ней высокотемпературных процессов.
«Результаты нашего исследования важны как для наук о Земле, так и для материаловедения — в частности, для кристаллохимического дизайна новых материалов, изменяющих свои размеры при намагничивании, а также с управляемыми свойствами, которые зависят от температуры. Помимо того что новые данные о кристаллических структурах пополняют международные базы данных, знание о термическом поведении минералов, тесно связанном с особенностями химического состава и кристаллического строения, может оказаться полезным для понимания и моделирования этапов минералообразования, формирования месторождений и связанных с ними руд»,— рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Ярослав Бирюков, старший научный сотрудник Института химии силикатов им. И. В. Гребенщикова.
Подготовлено при поддержке РНФ, использованы материалы статьи.