Преобразование гексацельзиана BaAl2Si2O8 при высоких температурах. Предоставлено Людмилой Гореловой
Ученые Санкт-Петербургского университета изучили кристаллические структуры и термические переходы бариевых полевых шпатов и определили, как они могут разрушаться в экстремальных условиях. Исследование позволит повысить качество и долговечность керамических материалов, так как бариевые полевые шпаты часто используются в промышленности. Результаты работы, поддержанной грантом РНФ, были опубликованы в Journal of the European Ceramic Society.
Полевые шпаты — одни из самых распространенных минералов земной коры. Бариевые полевые шпаты (минералы с общей формулой BaAl2Si2O8) и их синтетические аналоги широко используются в промышленности благодаря низкому термическому расширению, высокой химической и термической стабильности, а также люминесценции.
Тем не менее, по словам первого автора статьи, доцента СПбГУ (кафедра кристаллографии) Людмилы Гореловой, материалы на основе BaAl2Si2O8 при эксплуатации постепенно деградируют и разрушаются — это связано с большим количеством температурных фазовых переходов. Несмотря на широкое использование этих материалов, кристаллические структуры их высокотемпературных модификаций до недавнего времени изучены не были.
Именно эти знания позволяют понять, как и из-за чего разрушаются минералы, а также найти способы улучшения качества и долговечности различных керамических материалов на основе BaAl2Si2O8. Почти за 70 лет изучений процессов накопился ряд несогласующихся между собой данных. Комплекс современных методов и высокотехнологичного оборудования Научного парка СПбГУ позволил ученым университета впервые достоверно определить кристаллические структуры всех высокотемпературных модификаций бариевых полевых шпатов и проследить пути их преобразования.
«Долговечность материалов (в первую очередь керамики) на основе бариевого полевого шпата сильно зависит от фазовых переходов между низко- и высокотемпературными модификациями. В нашей работе был использован комплекс современных методов исследования, таких как рентгеноструктурный анализ и спектроскопия комбинационного рассеяния при высоких температурах (до 1000 ⁰С)», — сказала Людмила Горелова.
В результате ученым СПбГУ удалось выяснить, что кристаллическая структура гексацельзиана (высокотемпературная модификация BaAl2Si2O8) при обычных условиях является моноклинной, то есть низкосимметричной. Тогда как при нагревании она претерпевает два полиморфных преобразования, сопровождающихся повышением симметрии, что приводит к значительным изменениям объема элементарной ячейки.
Научная группа кристаллографов университета планирует продолжить изучение других представителей семейства полевого шпата при экстремальных условиях, поскольку более полные знания о структурных преобразованиях позволят лучше понять механизмы разрушения керамических материалов и выбрать оптимальные температуры работы с керамиками, а также пути их отжига.
«Мы надеемся, что помимо фундаментальных кристаллохимических проблем сможем дать ответы и на прикладные вопросы, чтобы наши исследования помогли в разработке и усовершенствовании новых материалов на основе полевого шпата», ― заметила Людмила Горелова.
В 2024 году кафедре кристаллографии Санкт-Петербургского государственного университета исполняется 100 лет. Кафедра широко известна в России и за рубежом своими научными традициями и открытиями.
Проведенное исследование бариевых полевых шпатов продолжает работы в области высокотемпературной кристаллографии, начатые профессором университета Станиславом Константиновичем Филатовым. За годы своей деятельности в СПбГУ он провел огромную работу по изучению минералов и минералоподобных материалов методами порошковой терморентгенографии.
Работа научного коллектива под руководством Людмилы Гореловой была выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ (№ 22−77−10 033). Исследования проводились на базе Научного парка СПбГУ (ресурсный центр «Оптические и лазерные методы исследования вещества», РЦ «Рентгенодифракционные методы исследования», РЦ «Геомодель» и Вычислительный центр СПбГУ).
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ