Исследователи из Кольского научного центра РАН, Института геологии и геохимии УрО РАН, ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН и МГУ им. М.В. Ломоносова впервые детально описали 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 можно рассматривать как инженерный прототип для синтеза искусственных люминофоров, необходимых для современных светодиодов и лазерных технологий.
Арктит — минерал, встречающийся только в Хибинском массиве 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 Юкспоррского массива с помощью портативного источника ультрафиолета, были обнаружены многочисленные зерна этого минерала, обладающие яркой голубой люминесценцией.
Известно, что арктит относится к семейству антиперовскитов — материалов с особой, очень прочной кристаллической решеткой. Его 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.
Ранее предполагалось, 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 определили, как именно атомы различных химических элементов заселяют позиции в кристаллической структуре.
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.
Одним из наиболее интересных результатов стало также 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.
По словам ученых, арктит представляет собой готовый инженерный прототип. Синтез сложных многокомпонентных структур «с нуля» требует значительных ресурсов. Сейчас, когда полностью расшифрованы природная структура прочного кристаллического каркаса и механизмы передачи энергии внутри него, появилась возможность наладить создание синтетических аналогов. Такие искусственные люминофоры могут стать основой для нового поколения сверхъярких и термостойких оптических материалов.
Исследование выполнено при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках государственного задания.
