Арктит — редкий фосфат кальция, натрия и бария. Его находят только в Хибинском массиве на Кольском полуострове, и больше 40 лет он оставался минералогической редкостью. Осенью 2022 года на отвалах Юкспоррского массива геологи осматривали камни портативным ультрафиолетовым фонарём и нашли множество зёрен, которые ярко светились голубым. Появился материал для подробного исследования.
Его провели сотрудники Кольского научного центра РАН, Института геологии и геохимии УрО РАН, ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН и МГУ. Они изучили кристаллическую структуру минерала рентгеноструктурным анализом, состав — электронной микроскопией, а химические связи — инфракрасной и рамановской спектроскопией (методами, которые по поглощению и рассеянию света показывают, какие группы атомов есть в веществе). Отдельно измерили, как минерал светится и как ведёт себя при нагреве.
Откуда свет
Свечение арктита связано с примесями редкоземельных элементов — церия и самария. Они работают в паре: церий поглощает энергию ультрафиолета и передаёт её самарию, который и испускает свет. Такую роль «передатчика» называют сенсибилизатором.
Примесей в минерале немного: в расчёте на формулу церия всего около 0,07 атома, лантана — 0,03, тогда как кальция — больше шести.
Как устроен кристалл
Элементарная ячейка арктита (наименьший повторяющийся фрагмент кристалла) сильно вытянута: её высота — около 41,2 ангстрема, а ширина — около 7,1. Получается, что она почти в шесть раз выше, чем шире. Структуру уточнили с высокой точностью: расхождение модели с измерениями составило около 2 %.
Арктит относится к антиперовскитам. Внутри него есть особые блоки-тримеры: три октаэдра, сложенные гранями, в центре каждого — атом фтора, а по вершинам — атомы натрия и кальция. Такой прочный каркас позволяет минералу выдерживать нагрев до 500 °C без разрушения.
В изученном образце впервые для арктита нашли водородсодержащие компоненты — гидроксильные и гидрофосфатные группы, а также положительно заряженные ионы водорода. Необычно, что в одном кристалле одновременно присутствуют частицы с основными и кислотными свойствами.
Зачем это нужно
Пока это исследование природного образца. Авторы считают, что похожие синтетические материалы могут пригодиться как люминофоры. Расшифрованная структура подсказывает, какой каркас и какую пару примесей воспроизводить в лаборатории, чтобы получить яркий и термостойкий светящийся материал.
