Исследователи из Кольского научного центра РАН, Института геологии и геохимии УрО РАН, ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН, а также МГУ впервые подробно охарактеризовали сложную кристаллическую структуру редкого минерала арктита. Эта работа, опубликованная в журнале Physics and Chemistry of Minerals, позволила подтвердить, что термостойкая кристаллическая решетка минерала эффективно преобразует ультрафиолетовое излучение в видимый свет. Это открытие подчеркивает потенциал арктита как инженерного прототипа для разработки искусственных люминофоров, необходимых для современных светодиодов и лазерных технологий. Дополнительные сведения о работе можно найти на сайте КНЦ РАН.
Арктит, являющийся эндемиком Хибинского массива на Кольском полуострове, представляет собой редкий фосфат кальция, натрия и бария. На протяжении более 40 лет этот минерал считался редкостью, известной лишь по единичным находкам. Однако осенью 2022 года во время обследования отвалов горных пород, извлеченных из Юкспоррского массива с использованием портативного источника ультрафиолета, были обнаружены многочисленные зерна арктита с яркой голубой люминесценцией. Ранее предполагалось, что свечение связано с ионами европия и самария, но для более точного понимания природы центров люминесценции и механизмов передачи энергии в этой сложной матрице, исследователям пришлось заново изучить кристаллическую структуру минерала, применяя современные аналитические методы.
Среди использованных методов были рентгеноструктурный анализ, электронная микроскопия, инфракрасная и рамановская спектроскопия. Именно благодаря этим методам авторы работы смогли точно определить размещение атомов химических элементов в кристаллической структуре. Полевая работа, сбор образцов и рентгеноструктурный анализ проводились специалистами Лаборатории арктической минералогии и материаловедения и Геологического института Кольского научного центра РАН. Ученые Института геологии и геохимии им. А.Н. Заварицкого УрО РАН осуществили электронно-зондовый микроанализ, а рамановская спектроскопия помогла исследовать поведение арктита при температурных изменениях. Ключевые спектроскопические исследования люминесценции проводились представителями химического и геологического факультетов МГУ им. М.В. Ломоносова, в то время как сотрудники ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН внесли вклад в инфракрасную спектроскопию и методологическое сопровождение работы.
Арктит относится к семейству антиперовскитов, характеризующемуся особой прочной кристаллической решеткой. Эта структура состоит из чередующихся слоев: одни образованы крупными икосаэдрами бария, связанными через фосфатные тетраэдры, а другие содержат анион-центрированные тримеры. Такая плотная и жесткая упаковка атомов обеспечивает минералу высокую термостабильность, позволяя ему выдерживать нагрев до 500 °С без разрушения своей решетки.
Одним из наиболее интересных открытий в рамках исследования стало нахождение ранее не отмеченных компонентов, содержащих водород. В структуре арктита были выявлены гидроксильные и гидрофосфатные группы, а также положительно заряженные ионы водорода.
Детальное изучение люминесценции подтвердило, что яркое голубое свечение под действием ультрафиолета обеспечивается изоморфными примесями редкоземельных элементов, а именно ионами церия и самария. Ионы церия служат сенсибилизаторами, поглощая энергию и передавая её ионам самария, что заставляет последние светиться. Таким образом, арктит выступает в роли готового инженерного прототипа, что позволяет ученым перенести природный «чертеж» прочного кристаллического каркаса в лаборатории и наладить создание синтетических аналогов. Искусственные люминофоры, созданные на основе этой структуры, могут стать основой для нового поколения сверхъярких и термостойких оптических материалов.
Данное исследование было выполнено при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания 122011300125–2, 124013100858-3 и 123011800012-9.