Минералогическое «лего» – атомный конструктор ученых

Летом Российский научный фонд объявил победителей 2020 года на получение президентских грантов по конкурсам «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» и «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых». Одним из 220 проектов, получивших финансирование, стал проект старшего научного сотрудника «молодежной» лаборатории природоподобных технологий и техносферной безопасности Арктики Кольского научного центра РАН, кандидата геолого-минералогических наук Сергея Аксенова. Он называется «Модулярность и топологические особенности природных и синтетических микропористых соединений со смешанными тетраэдрическими и гетерополиэдрическими анионами».

Сергей Аксенов – выпускник кафедры минералогии и геохимии Российского государственного геологоразведочного университета. С третьего курса работал научным сотрудником в лаборатории рентгеновских методов анализа и синхротронного излучения Института кристаллографии имени А. В. Шубникова Федерального научно-исследовательского центра «Кристаллография и фотоника» РАН. С 2017 по 2019 год проходил длительную стажировку в Исследовательском центре по вопросам энергетики факультета Гражданской и экологической инженерии и Наук о Земле Университета Нотр Дам (США) в качестве пост-дока, где занимался изучением химии природных и синтетических соединений урана. Лауреат нескольких научных премий, член Российского минералогического общества и Международного союза кристаллографов, соавтор открытия 30 новых минералов, автор и соавтор более 300 публикаций по неорганической кристаллографии, кристаллохимии и структурной минералогии.

Своим переездом на Север в 2019 году Сергей обязан Председателю Кольского научного центра РАН Сергею Кривовичеву, который пригласил его присоединиться к недавно созданной лаборатории. В настоящее время основные научные интересы молодого ученого связаны с кристаллохимией и систематикой минералов и синтетических неорганических соединений; физикой и химией минералов, в том числе при экстремальных условиях, а также поиском новых функциональных материалов – синтетических аналогов минералов.

Как сам он упоминал во время приглашенной лекции «Современная кристаллография: новые подходы к изучению минералов и перспективы их применения в современном материаловедении», прочитанной в своей alma mater, развитие физики и химии минералов, связанное с усовершенствованием лабораторного оборудования, позволило по-новому взглянуть на минералы с точки зрения задач современного материаловедения. Так, относительно недавно был сформулирован новый раздел минералогии «Минералы – перспективные материалы», который охватывает не только природные соединения, но и их синтетические аналоги. Одним из основоположников данного направления является сам Сергей Кривовичев, что и обусловило выбор Сергеем Аксеновым Кольского научного центра в качестве места своей дальнейшей работы.

В Апатитах Сергей Аксенов и его молодые коллеги также сотрудничают с ведущим научным сотрудником лаборатории комплексного анализа уникальных рудоносных систем Геологического института КНЦ РАН Виктором Яковенчуком,. О работе Сергея Виктор Нестерович говорит так: «Ему дай минеральчик – он его снимет, и получит структуру, и великолепно ее опишет!». И добавляет: «Он работает с тем, что, мы, геологи, ему даем. Анализирует то, что мы не видим и не знаем»…

– Специфика нашей работы связана с тем, что кристаллографы, занимающие изучением внутреннего атомарного строения веществ, тесно связаны с химиками и минералогами, – рассказывает Сергей Аксенов. – Например, когда геологи находят образцы новых минералов, им интересно узнать, как же они устроены внутри и какая у них кристаллическая структура. Задача кристаллографа, используя современные методы рентгеноструктурного анализа (в основе которого лежит особенность взаимодействия рентгеновского изучения с твердым веществом), постараться дать ответ на этот вопрос. Иногда образцы минералов оказываются поистине уникальными и могут послужить основой для синтеза целого ряда новых минералов с крайне важными и полезными свойствами.

Однако только узнать атомарное строение бывает недостаточно и необходимо сравнить минерал как с ранее изученными, так и с возможными синтетическими аналогами (тут стоит отметить, что минералов в природе открыто всего около 5500, в то время как химики в лабораториях получили более миллиона различных веществ). Зато, в результате такой кропотливой работы с использованием современных банков данных по всевозможным типа веществ, можно найти очень много интересных закономерностей, которые потом помогут в лучшем понимании особенностей их строения.

Сергей подчеркивает, что современные методы кристаллографического и кристаллохимического анализа (кристаллохимия – раздел кристаллографии, который изучает атомарные структуры веществ) широко используются в фармацевтике и биоинженерии для разработки новых лекарственных препаратов, неорганической (при создании новых типов материалов, в частности, аккумуляторов или светодиодов) и органической химии. Применения подобных подходов при описании атомарных структур минералов с использованием новейших кристаллографических программ является основной целью его научного проекта.

– Мы подали заявку в Российский научный фонд в марте этого года, а уже в июле стало известно, что все рецензенты очень высоко оценили потенциал исследований и мы вошли в число победителей. Грант мне выделен на три года, а общий объем финансирования составляет 15 миллионов рублей. За это время я должен буду опубликовать не менее десяти статей, что на самом деле не так много, поскольку наша научная область позволяет публиковаться активно и в ведущих иностранных журналах.

В целом, грант связан с детальным анализом атомарных структур соединений, как природных, так и синтетических, с поиском основных фундаментальных закономерностей между большими группами соединений, которые могут отличаться по своему химическому составу.

Чтобы просто и ясно объяснить принцип своей деятельности, Сергей обращается к самым элементарным примерам:

– Представьте себе самый простой набор «Лего», где присутствуют лишь квадратные и прямоугольные детали. И все разнообразие детских построек связано с комбинациями этих двух кубиков. Точно так же можно представить себе и происходящее в природе – она состоит из нескольких сотен термодинамически стабильных кубиков. Они могут быть разного размера, а все разнообразие природных соединений – лишь комбинации этих «кубиков». Сложность в том, чтобы их разглядеть их в цельной с виду структуре. Мы видим перед собой итоговый результат, и наша задача при этом обратная – заново разобрать его на какое-то целое количество первоначальных элементов, выяснить, какие они и, самое главное, понять, где еще они встречались.

Например, на Кольском полуострове расположен крупнейший в мире щелочной массив. Но у него есть аналоги в других странах – в Гренландии, Швеции, Канаде. Эти массивы обладают уникальными особенностями, которые проявляются в огромном количестве уникальных эндемичных минералов, которые встречаются только в них. То есть в каком-то месте Земли кристаллизуется огромное количество самых разных минералов по атомарному строению, но близких по их химическому составу. Например, одних силикатов циркония и титана насчитывается в этих массивах больше сотни! И основная задача проекта – как раз выделить те особенности этих маленьких фрагментиков-модулей, из которых они все были собраны. Это поможет лучше понять особенности переноса стратегических элементов в исходных расплавах, а также выяснить последовательности кристаллизации минералов на основе сложности их структур (т.е. числа различных типов модулей в одном минерале).

Есть ли у этого интереса прикладное значение?

– Мой проект – исключительно научный, хотя теоретическая модель, которая лежит в его основе, имеет большую практическую значимость, но не в нашей области, – объясняет Сергей Аксенов. – Есть такое современное направление – кристалл-инжиниринг, которое занимается кристаллами, которые можно конструировать особым способом. Так цеолиты (сорбенты и катализаторы) или соединения с металлоорганическими каркасами, для которых синтез сегодня разработан очень хорошо, активно использует этот подход. В качестве строительных блоков при получении новых веществ используются специальные соединения-прекурсоры. С помощью подобного конструирования новых соединений, мы сможем собрать, например, какое-то специальное волокно, которое будет устойчиво к серьезным повреждениям, или материал с особой упругостью. Понятно, что если мы все на свете «разберем на кубики», то сможем их перебирать и создавать что-то новое, ранее никогда не существовавшее.

Примерами успешного использования минералогических данных уже сегодня могут служить новые цеолитоподобные материалы, перспективные с точки зрения сорбционных свойств как матрицы для захоронения токсичных и радиоактивных отходов, оптически активные среды, полупроводниковые материалы и те, что характеризуются низкоразмерными магнитными свойствами.

Работа по гранту уже идет, в выполнении проекта Сергея Аксенова принимают участие ученые КНЦ РАН, сотрудники МГУ и СПбГУ.