Все грани кристаллографии

Зачем нужно исследовать новые минералы? Как устроены нанотрубки и каким образом конструирование объектов нанометрового размера позволит решить глобальные проблемы? На эти вопросы в рамках лекции цикла «Многоликая Гео» ответил доцент СПбГУ Олег Сийдра. Он также рассказал, какие задачи сегодня решает кристаллография.

Каждый день мы встречаемся с кристаллами: они применяются в фармацевтике, вычислительной технике, сельском хозяйстве и других самых разнообразных областях. И в то же время люди практически не замечают ту огромную роль, которую кристаллография играет в современном мире. Чтобы привлечь внимание к науке, которая влияет на жизнь каждого из нас, 2014 год был объявлен ООН Международным годом кристаллографии. В этот год отмечалось столетие с момента зарождения современной науки о кристаллах, когда было начато проведение исследований структуры материи при помощи рентгеновских лучей.

Кто может расширфровать кристалл

На сегодняшний день общее количество расшифрованных кристаллических структур составляет более миллиона. Первые исследованные минералы были простыми по составу, и тем не менее процесс расшифровки их структуры был достаточно длительным. Практически до 90-х годов XX века было достаточно одной расшифровки, чтобы защитить диссертацию и получить звание кандидата наук. Сегодня ситуация существенно изменилась: уже к третьему курсу многие из студентов-геологов СПбГУ имеют несколько личных расшифровок, а магистранты под руководством преподавателей проводят полноценный кристаллохимический анализ по десяткам расшифрованных кристаллических структур.

Доцент СПбГУ Олег Сийдра

Сегодня нанотехнологии у всех на слуху, особенно в нашей стране, где с ними связываются становление и развитие инновационной промышленности. Но и во всем мире на них возлагаются особые надежды: конструирование объектов размеров, исчисляющихся миллиардными метра, позволит уменьшить потребление ресурсов человечеством. Эпоха нанотехнологий берет отсчет от 1991 года, когда японский исследователь Сумио Иидзима получил первые фотографии углеродных синтетических нанотрубок. Однако о том, что некоторые минералы — такие как цилиндрит или джемсонит — обладают трубчатой структурой, ученым было известно и ранее.

Как устроены нанотрубки?

Структура минерала цилиндрит состоит из двух модулей-слоев — гексагонального h-модуля, образованного октаэдрами (в центре расположен атом олова или железа, окруженный атомами серы), и тетраэдрического t-модуля (в нем центральным является атом свинца, сурьмы или олова). Эти слои чередуются в структуре минерала и являются несоразмерными, вследствие чего между ними возникает напряжение. Чтобы его снять и стать устойчивой, структура «сворачивается» в трубочку. Площадь поверхности объектов нанометрового размера очень велика, поэтому нанотрубки являются хорошими сорбентами. Так, например, минерал имаголит, открытый на почвах, богатых вулканическим пеплом, является прекрасным природным сорбентом мышьяка, цианидов, тяжелых и радиоактивных металлов. Вода, которая проходит в Японии и Швеции через горизонты почв, богатые имаголитовыми нанотрубками, очень чистая. Удивительно, но, несмотря на свои исключительные очистительные свойства, этот материал до сих пор не используется при производстве фильтров.

Свойства нанотрубок

Уникальные адсорбирующие свойства нанотрубок можно применять и для решения гораздо более серьезных задач. Уже начиная с середины XX века, когда атомная энергия стала активно использоваться для мирных и военных целей, остро встал вопрос об утилизации радиоактивных отходов. Предполагаемая стоимость программ по их переработке и захоронению на ближайшие десять лет составляет около 800 млрд долларов. В мире накопилось огромное количество ядерных отходов, а эффективные методы их утилизации ищутся и до сегодняшнего дня. Материалы для их захоронения (или иммобилизации) являлись различными по степени надежности. Изначально для этих целей применялись некристаллические вещества — боратные стекла и керамика, но впоследствии ученые сделали выбор в пользу более долговечных кристаллических. За основу были взяты циркон, пирохлор и монацит — они устойчивы на протяжении миллионов лет, а значит, материалы, изготовленные с их структурой, будут так же надежны. Нанотрубки перспективны не только для захоронения радиоактивных отходов. Синтетический аналог точилинита, структуру которого советский геолог Н. И. Органова изучила еще в 1971 году, сейчас широко используется на предприятиях Великобритании и США, занимающихся переработкой отработанного ядерного топлива: на одной из стадий этого сложного процесса он применяется для осаждения технеция в форме гидроксида. Ежегодно в мире точилинита синтезируется более чем на 40 млн долларов.

Свое выступление Олег Сийдра завершил советом более внимательно присматриваться к новым минералам с материаловедческой точки зрения. При исследовании природных свойств минералов, заметил он, важно обращать внимание на их потенциальные свойства и характеристики как материалов, поскольку они смогут принести не только пользу, но и значительную финансовую прибыль наблюдательным исследователям. После лекции состоялась экскурсия в ресурсный центр СПбГУ «Рентгенодифракционные методы исследования», где слушатели посетили учебные и исследовательские лаборатории и узнали о том, как работают самые современные приборы для изучения структуры минералов и синтетических неорганических материалов.