Российские ученые уточнили структуру редкого минерала арктита и предложили его в качестве инженерного прототипа для новых люминофоров

Коллектив исследователей из Кольского научного центра РАН, Института геологии и геохимии УрО РАН, ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН и МГУ впервые детально описал сложную кристаллическую структуру редкого минерала арктита. Ученым удалось уточнить атомную архитектуру минерала и установить, что его термостойкая кристаллическая решетка эффективно преобразовывает ультрафиолетовое излучение в видимый свет. Благодаря этому минерал рассматривается как инженерный прототип для синтеза искусственных люминофоров, необходимых для современных светодиодов и лазерных технологий. Результаты работы опубликованы в журнале Physics and Chemistry of Minerals.

Арктит – эндемик Хибинского массива на Кольском полуострове, редкий фосфат кальция, натрия и бария. Более 40 лет он считался минералогической редкостью, известной лишь по единичным находкам. Поводом для нового масштабного исследования стала неожиданная находка осенью 2022 года: при обследовании отвалов горных пород, извлеченных из Юкспоррского массива с помощью портативного источника ультрафиолета были обнаружены многочисленные зерна этого минерала, обладающие яркой голубой люминесценцией. Ранее уже было предположено, что свечение арктита связано с ионами европия и самария. Чтобы точно установить природу центров люминесценции и механизмы передачи энергии в этой сложной матрице, потребовалось заново исследовать кристаллическую структуру минерала с привлечением комплекса современных аналитических методов.

Применив рентгеноструктурный анализ, электронную микроскопию, а также инфракрасную и рамановскую спектроскопию, авторы работы точно определили, как именно атомы различных химических элементов заселяют позиции в кристаллической структуре. Специалисты Лаборатории арктической минералогии и материаловедения, и Геологического института Кольского научного центра РАН организовали полевые работы, сбор образцов, рентгеноструктурный анализ и концептуальное руководство проектом. Ученые Института геологии и геохимии им. А.Н. Заварицкого УрО РАН провели электронно-зондовый микроанализ, а с помощью рамановской спектроскопии исследовали поведение арктита при изменении температуры. Представители химического и геологического факультетов МГУ им. М.В. Ломоносова обеспечили проведение ключевых спектроскопических исследований люминесценции. Сотрудники ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН внесли вклад в инфракрасную спектроскопию и методологическое сопровождение работы.

Известно, что арктит относится к семейству антиперовскитов – материалов с особой, очень прочной кристаллической решеткой. Эта структура состоит из чередующихся слоев: одни образованы крупными икосаэдрами бария, связанными через фосфатные тетраэдры, другие содержат анион-центрированные тримеры. Такая плотная и жесткая упаковка атомов обеспечивает минералу высокую термостабильность, позволяя выдерживать нагрев до 500 °С без разрушения решетки.

Одним из наиболее интересных результатов стало обнаружение в исследованном образце ранее не отмеченных для арктита компонентов, содержащих водород. В структуре установлено присутствие гидроксильных групп, гидрофосфатных групп, а также положительно заряженных ионов водорода.

Детальное изучение люминесценции подтвердило, что яркое голубое свечение под действием ультрафиолета обеспечивают изоморфные примеси редкоземельных элементов – ионов церия и самария. Ионы церия работают как сенсибилизаторы: они эффективно поглощают энергию и передают ее ионам самария, заставляя их светиться. Арктит представляет собой своеобразный готовый инженерный прототип. Синтезировать сложные многокомпонентные структуры «с нуля» требует значительных ресурсов, а когда ученые полностью расшифровали природный «чертеж» прочного кристаллического каркаса и механизмы передачи энергии внутри него, появилась возможность перенести его в лабораторию и наладить создание синтетических аналогов. Такие искусственные люминофоры могут стать основой для нового поколения сверхъярких и термостойких оптических материалов.

Исследование выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания 122011300125–2, 124013100858-3 и 123011800012-9.