Учёные уточнили структуру редкого минерала арктита из Хибин

Арктит — редкий минерал Хибинского массива на Кольском полуострове, который светится под ультрафиолетом. Его природный каркас может стать образцом для синтетических люминофоров.

Учёные из Кольского научного центра РАН, Института геологии и геохимии им. А.Н. Заварицкого УрО РАН, ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН и МГУ им. М.В. Ломоносова впервые подробно описали сложную кристаллическую структуру редкого минерала арктита. Результаты опубликованы в журнале Physics and Chemistry of Minerals.

Арктит — эндемик Хибинского массива на Кольском полуострове, редкий фосфат кальция, натрия и бария. Более 40 лет его знали по единичным находкам. Интерес возобновился осенью 2022 года: при обследовании отвалов горных пород из Юкспоррского массива нашли многочисленные зёрна арктита с яркой голубой люминесценцией, которую выявили портативным источником ультрафиолета. Раньше предполагали, что свечение связано с ионами европия и самария.

Чтобы выяснить природу центров свечения, исследователи заново изучили кристаллическую структуру минерала. Использовали рентгеноструктурный анализ, электронную микроскопию, инфракрасную и рамановскую спектроскопию и установили, как атомы разных элементов заполняют позиции в решётке. Лаборатория арктической минералогии и материаловедения и Геологический институт КНЦ РАН организовали полевые работы, сбор образцов и руководили проектом. Сотрудники ИГГ УрО РАН провели электронно-зондовый микроанализ и с помощью рамановской спектроскопии исследовали поведение арктита при изменении температуры. Химический и геологический факультеты МГУ провели ключевые спектроскопические исследования люминесценции, а ФИЦ ПХФ и МХ РАН участвовал в инфракрасной спектроскопии.

Арктит относится к семейству антиперовскитов. Его структура состоит из чередующихся слоёв: в одних крупные икосаэдры бария связаны через фосфатные тетраэдры, в других есть анион-центрированные тримеры. Такая плотная упаковка атомов выдерживает нагрев до 500 °С без разрушения решётки. В образце также обнаружили компоненты с водородом, которые раньше для арктита не отмечали: гидроксильные группы, гидрофосфатные группы и положительно заряженные ионы водорода.

Голубое свечение обеспечивают примеси редкоземельных элементов. Ионы церия поглощают энергию и передают её ионам самария, заставляя их светиться. Авторы называют арктит инженерным прототипом: синтезировать сложные многокомпонентные структуры с нуля требует значительных ресурсов, а природный каркас и механизм передачи энергии можно перенести в лабораторию для создания синтетических аналогов.

По мнению авторов, такие искусственные люминофоры могут стать основой для нового поколения сверхъярких и термостойких оптических материалов, которые нужны для светодиодов и лазерных технологий.

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

РАН