Ученые СПбГУ изучили структуру редкого синтетического минерала цинкофосфата и впервые выявили две его высокотемпературные формы. Работа позволит предсказать поведение материала в промышленности, повысив его прочность и срок службы. Исследование выполнено при поддержке гранта РНФ.
Суть полиморфизма
Полиморфизм — это способность веществ образовывать разные кристаллические структуры при изменении внешних условий. Такие превращения вызываются колебаниями температуры, давления, кислотности или воздействием магнитного поля. Именно кристаллическая структура во многом задает физические свойства соединений.
Некоторые полиморфные модификации легко обнаружить, так как их свойства сильно различаются, например, графит и алмаз. Другие превращения можно выявить лишь с помощью сложных исследований на специализированном оборудовании.
Фокус на гексацельзиане и цинкофосфате
Ученые СПбГУ активно исследуют полиморфизм. Ранее их заинтересовал гексацельзиан, материалы на основе которого применяются в стекольной и керамической промышленности благодаря выдающимся свойствам: высокой температуре плавления, химической стойкости, термоупругости, люминесценции. Хотя это соединение используется полвека, структуры его полиморфных модификаций были точно определены кристаллографами СПбГУ лишь недавно. Это помогло выяснить причины растрескивания материала и улучшить его качество для промышленности.
Данная работа позволила ученым Санкт-Петербургского университета выделить группу соединений, структурно схожих с гексацельзианом. Так они приступили к изучению синтетического цинкофосфата BaZn2P2O8, перспективного для создания различных керамических материалов. Как и гексацельзиан, он привлекателен своей термомеханической стабильностью и люминесцентными свойствами. Однако для эффективного управления этими характеристиками необходимо детально изучить его полиморфные превращения.
Открытия Людмилы Гореловой
Как пояснила доцент кафедры кристаллографии СПбГУ Людмила Горелова, все три изученные модификации обладают слоистой структурой, сформированной шестичленными кольцами из тетраэдров ZnO4 и PO4.
"Их ключевое различие в геометрии: при нагреве тетраэдры плавно разворачиваются, что ведет к закономерному росту симметрии кристаллической решетки. Это знание помогает точнее прогнозировать поведение материалов в реальных условиях", — подчеркнула Людмила Горелова.
Передовые методы исследования
Синтезированные образцы изучали в уникальном центре коллективного пользования — Научном парке СПбГУ. Были проведены рентгеновские эксперименты при высоких температурах, а также исследования методом спектроскопии комбинационного рассеяния (Рамановской) в широком температурном диапазоне: от экстремально низких (минус 150 градусов Цельсия) до очень высоких (плюс 1100 градусов Цельсия). Это дало возможность обнаружить скрытые полиморфные переходы, недоступные для стандартных методов.
Перспективы для промышленности
Ученые СПбГУ уверены, что результаты их исследования помогут точно предсказать поведение вещества в эксплуатации, заранее определить, будет ли керамика растрескиваться или проявлять люминесценцию при высоких температурах. Это открывает путь к совершенствованию технологий использования материала на производстве.
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ
