Новый взгляд на динамическую кристаллохимию природных и синтетических фаз семейств гадолинита и стиллуэллита

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-27-00430

НазваниеНовый взгляд на динамическую кристаллохимию природных и синтетических фаз семейств гадолинита и стиллуэллита

Руководитель Кржижановская Мария Георгиевна, Кандидат геолого-минералогических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Санкт-Петербургский государственный университет" , г Санкт-Петербург

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 07 - Науки о Земле; 07-211 - Кристаллография и кристаллохимия минералов

Ключевые слова Минерал, синтетические аналоги минералов, кристаллическая структура, кристаллохимия высоких температур и давлений, полиморфизм, термические свойства, люминофоры

Код ГРНТИ38.41.21

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на изучение эволюции кристаллической структуры на атомном уровне при вариациях температуры, давления и катионных замещений на примере природных и синтетических сложных оксидов из семейств гадолинита и стиллуэллита с целью выявления зависимости стабильности и путей преобразования минералов от их состава и структуры. На настоящий момент не существует способов наблюдения in situ внутренностей Земли. Все имеющиеся данные получены благодаря или сейсмическим наблюдениям, или же модельным лабораторным экспериментам по исследованию минералов при экстремальных условиях. Такие исследования позволяют понять процессы, происходящие внутри Земли, такие как магмаобразование, циркуляция расплавов в мантии, землетрясения и т.д. Возникает ряд вопросов: (1) Каковы механизмы, которые приводят к нестандартным фазовым превращениям, образованию неизвестных ранее необычных полиэдров? (2) как изменятся физические свойства у новых модификаций, содержащих элементы в необычной координации? (3) Каковы общие кристаллохимические правила, объясняющие формирование определенного типа структуры в заданных условиях, преобразования структур при экстремальных условиях? В отличие от фаз семейства гадолинита (A2MQ2T2O8φ2 (A = Ca, REE, Pb, Mn2+, Bi; M = Fe, □, Mg, Mn, Zn, Cu, Al; Q = B, Be, Li; T = Si, P, As, B, Be, S; φ = O, OH, F)), семейство стиллуэллита (ATT’O5 (A = REE, Ca, Sr, Ba; T = B, Be и T’ = Si, Ge, P, As)) слабо представлено в природе. В соответствие с обзором Э. Грю с соавторами (2017) датолит (минерал группы гадолинита, являющийся рудным на бор), был обнаружен в 471 месторождении, в то время как стиллуэллит встречается лишь в 11 документально-подтвержденных точках планеты. Но обнаружение последнего, отмеченное в журнале Nature в 1955 г., дало толчок к созданию целого класса минералоподобных материалов со структурным типом стиллуэллита, который насчитывает сегодня более двух десятков базовых соединений, не считая твердых растворов, многие из которых известны своими полезными свойствами. Физическим характеристикам только LaBGeO5 (LBGO) посвящено около сотни публикаций. На основе стиллуэллитовых матриц разрабатывают многообещающие борсодержащие силикатные, германатные, фосфатные и арсенатные ферро- и пирроэлектрические материалы, люминофоры с редкоземельными элементами (РЗЭ). Кристаллические структуры фаз обоих семейств, основанные на кислородных тетраэдрических слоях (гр. гадолинита) и цепях (гр. стиллуэллита), изучены при обычных T,P условиях относительно неплохо, но оба структурных типа проявляют значительную толерантность в плане катионных замещений, обладают разнообразными фазовыми переходами в широком интервале температур и давлений, представляя, таким образом, прекрасный материал для исследования динамики структуры в зависимости от химизма и T,P условий. Метод рентгеноструктурного анализа (РСА), предлагаемый в качестве основного в настоящем проекте, позволяет получить прямые данные об изменениях, происходящих со структурой минералов при вариациях температуры и / или давления. Современная приборная база, имеющаяся в распоряжении коллектива, позволит осуществить нетривиальные эксперименты и выявить такие фундаментальные кристаллохимические закономерности как взаимосвязи структура – химический состав, Т,P-условия, собственно составляющие основу экспериментальной минералогии. Новизна данного проекта во многом обусловлена наличием современной приборной базы в Научном парке СПбГУ, в особенности, недавним введением в эксплуатацию в ресурсном центре Рентген-дифракционных методов исследования монокристального дифрактометра нового поколения Synergy S, оснащенного простым и удобным в использовании устройством для нагрева монокристаллов вплоть до температуры 1000 °С. Аналогов этого прибора в мире представлено очень мало – до сих пор большинство исследований минералов и их аналогов на монокристаллах при температурах проводилось на синхротронах. А сочетание обоих методов исследования in situ структуры методом монокристальной дифрактометрии при высоких температурах (в условиях лаборатории) и высоких давлениях (на синхротроне) в рамках небольшой научной группы, заявленное в данном проекте, представляется практически уникальным. Таким образом, планируемые исследования позволят расширить представления о динамической кристаллохимии, улучшат понимание природных высокотемпературных и глубинных процессов и, возможно, позволят создать новые материалы, что является важными задачами для современных геологии и материаловедения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Горелова Л.А., Верещагин О.С., Асландуков А., Асландукова А., Спиридонова Д.В., Кржижановская М.Г., Касаткин А., Дубровинский Л. Hydroxylherderite (Ca2Be2P2O8(OH)2) stability under extreme conditions (up to 750 ºC / 100 GPa) Journal of the American Ceramic Society, Том 106 (2023), №4, с. 2622-2634 (год публикации - 2022)
10.1111/jace.18923

2. Кржижановская М.Г., Копылова Ю.О., Обозова Е.Д., Залесский В.Г., Горелова Л.А., Шиловских В.В., Уголков В.Л., Бритвин С.Н., Пеков И.В. THERMAL EVOLUTION OF STILLWELLITE, CeBSiO5, A NATURAL PROTOTYPE FOR A FAMILY OF NLO-ACTIVE MATERIALS Journal of Solid State Chemistry, Том 318, February 2023, Номер статьи 123786 (год публикации - 2022)
10.1016/j.jssc.2022.123786

3. Верещагин О.С., Горелова Л.А., Шагова А.К., Касаткин А.В., Шкода Р., Бочаров В.Н., Власенко Н.С., Васинова-Галилова М. Re-investigation of ‘minasgeraisite-(Y)’ from the Jaguaraçu pegmatite, Brazil and high-temperature crystal chemistry of gadolinite-supergroup minerals Mineralogical Magazine, Volume 87, Issue 3, 470 - 479 (год публикации - 2023)
10.1180/mgm.2023.19

4. Кржижановская М.Г., Горелова Л.А., Копылова Ю.О., Верещагин О.С. , Даль Бо Ф., Панькин Д.В., Хатерт Ф. Кристаллохимия стиллуэллитоподобного BaBPO5 по данным монокристальной дифрактометрии в нестандартных условиях Записки Российского минералогического общества (год публикации - 2024)

5. Кржижановская М.Г., Верещагин О.С., Копылова Ю.О., Горелова Л.А., Панькин Д.В., Юхно В.А., Власенко Н.С., Бочаров В.М., Бритвин С.Н. The structural origin and boundaries of thermal transitions in stillwellite-type LnBSiO5 Optical Materials (год публикации - 2023)

Публикации