Ительменит, корякит и алеутит: ученые СПбГУ открыли три новых минерала

Ученые кафедры кристаллографии СПбГУ во время экспедиции на Камчатку обнаружили сразу три уникальных минерала, которые благодаря своим свойствам будут востребованы в различных сферах высокотехнологичной промышленности: от микроэлектроники до создания квантовых компьютеров. Назвали находки в честь коренных народов полуострова: ительменит, корякит и алеутит. Результаты последнего из этих исследований опубликованы в научном журнале Mineralogical Magazine.

Последние шесть лет научная группа под руководством профессора СПбГУ Олега Сийдры изучает фумаролы вулкана Толбачик — небольшие трещины и отверстия, по которым поднимаются струи горячих паров и газов, выделяющихся из магмы. Такие геологические объекты отличаются богатым минералогическим разнообразием.

После каждой поездки ученые возвращаются с полевым материалом, исследование которого приводит к удивительным открытиям. Не стали исключением и три новых минерала — их кристаллическая структура и свойства не имеют даже близких аналогов среди синтетических соединений или известных групп минеральных видов. Так ительменит и корякит содержат в составе сульфатный анион, а алеутит сразу два отрицательно заряженных иона — арсенатный и ванадатный.

В состав сложного ванадат-арсената алеутита входят одновременно 13 химических элементов. В его структуре необычные комплексы с медью формируют фрагменты из сеток Кагомэ. Такие структурные элементы, отмечает руководитель исследования, профессор СПбГУ Олег Сийдра, демонстрируют очень интересные магнитные свойства. Научная группа уже демонстрировала это на примере недавно открытого учеными минерала докучаевита.

«Кроме того, алеутит относится к очень интересному классу веществ, распространенных среди синтетических соединений, но редких для минералов: так называемых солей включения (salt-inclusion solids).

В широких каналах алеутита располагается значительный спектр элементов в виде электронейтральных хлоридных комплексов с одновалентной медью, калием, свинцом, рубидием и цезием. Установленная кристаллическая структура показывает, что алеутит из-за образования фрустрированных комплексов с медью должен проявлять свойства спиновой квантовой жидкости. В теории использование таких магнитных свойств поможет создать защищенный от ошибок квантовый компьютер», — пояснил Олег Сийдра.

Структура ительменита представляет собой новый тип каркасной постройки из атомов серы, магния и меди. Из-за поразительной схожести архитектуры кристаллической постройки минерала и традиционных узоров на одеждах ительменов ученые решили назвать находку в честь этого коренного народа Камчатки.

«В каркасе структуры ительменита присутствуют каналы, в которых располагаются атомы натрия. Синтетические соединения схожего состава и с похожим принципом организации кристаллической структуры используются в качестве натрий-ионных батареек и аккумуляторов. Разработка и получение новых эффективных батарей являются одними из наиболее важных задач современной высокотехнологичной промышленности во всех странах мира», — отметил Олег Сийдра.

Корякит, названный в честь другого народа полуострова — коряков, необычен не только для минералов. Безводные сульфаты переходных металлов редки в минеральном мире и образуются практически исключительно на фумаролах действующих вулканов или в местах, где происходят природные угольные пожары.

Кристаллическая структура корякита относится также к одному из наиболее изучаемых материалов современности — НАСИКОНам (от англ. NASICON — Na Super Ionic CONductor), среди которых природных минералов крайне мало. Эти соединения также активно используются при производстве батареек и аккумуляторов. Среди синтетических материалов известно более сотни НАСИКОНов, однако именно такой состав, как у камчатской находки, раньше никогда не встречался.

В результате высокотемпературных процессов и роста кристаллов из газа на фумаролах кристаллическая структура корякита получилась очень необычной. С одной стороны, она похожа на структуру простого безводного сульфата алюминия.

Но в коряките часть алюминия заменена на магний, что позволило зайти в каналы ионам калия и натрия. Именно последнее обстоятельство и позволяет рассматривать камчатскую находку в качестве перспективного прототипа материала для микроэлектроники. Для более подробного анализа свойств корякита ученые сейчас занимаются синтезом его чистого аналога.

Необычные свойства находок с потенциалом использования в материаловедении и индустрии необходимо исследовать на синтезированных аналогах природных минералов. На сегодня кристаллографы смогли синтезировать в лаборатории аналог ительменита, что позволит им подробно изучить его электрохимические свойства.

Работы по созданию чистых, без примесей, образцов корякита все еще продолжаются на оборудовании лаборатории кафедры кристаллографии. Данные по структурам всех трех новых минералов были получены членом научной группы профессора СПбГУ Олега Сийдры, доцентом кафедры кристаллографии Евгением Назарчуком на оборудовании ресурсного центра Научного парка СПбГУ «Рентгенодифракционные методы исследования».

«Такой подход — реализация полного цикла (от сборов каменного материала в полевых условиях до успешного синтеза и изучения свойств) в контексте стратегии „От минералов к материалам“ — отличает наш коллектив от других в России и мире. За последние годы нам удалось значительно преуспеть в моделировании процессов минералообразования на вулканах, удалось получить аналоги многих минералов, открытых нашей группой за последние пять лет на Камчатке», — сообщил Олег Иоханнесович.

Полевые работы и исследования научной группы были поддержаны грантами Российского научного фонда (№ 16-17-10085) и Российского фонда фундаментальных исследований (№ 19-05-00413).