Ученые из Санкт-Петербургского государственного университета изучили структуру нечастого синтетического минерала цинкофосфата и впервые выявили две его формы, образующиеся при высоких температурах. Полученные данные помогут понять, как материал ведет себя в промышленных условиях, что позволит повысить его прочность и срок службы. Исследование было поддержано грантом РНФ, опубликованы в научном журнале Journal of Physics and Chemistry of Solids.
Полиморфизм представляет собой свойство веществ образовывать разные кристаллические формы при изменении внешних условий. Эти преобразования могут быть вызваны изменениями температуры, давления, кислотности среды или воздействием магнитного поля. Физические характеристики соединений в значительной степени зависят от их кристаллической структуры.
В некоторых случаях полиморфные модификации легко идентифицируются и характеризуются существенными различиями в свойствах, подобно графиту и алмазу. Выявление других превращений требует проведения комплексных исследований с применением специализированного оборудования.
Ученые Санкт-Петербургского государственного университета активно исследуют полиморфизм. В качестве объекта изучения ранее был выбран гексацельзиан, поскольку материалы на его основе находят применение в стекольной и керамической промышленности. Это обусловлено уникальными физическими свойствами соединения: высокой температурой плавления, стойкостью к воздействию химических веществ, тепловой упругостью и люминесцентными характеристиками. Несмотря на то что это соединение используется уже более пятидесяти лет, структуры его полиморфных модификаций кристалографы СПбГУ определили недавно, что помогло установить причины растрескивания материала и повысить его качество для использования в промышленности.
В ходе исследования ученые из Санкт‑Петербургского университета выделили группу соединений, структурно напоминающих гексацельзиан. Это послужило отправной точкой для изучения синтетического цинкофосфата BaZn2P2O8, который может найти применение в производстве различных керамических материалов. Подобно гексацельзиану, он представляет интерес благодаря термомеханической стабильности и люминесцентным свойствам. Тем не менее, для эффективного контроля над этими характеристиками требуется детальное изучение его полиморфных превращений.
По словам Людмилы Гореловой, доцента кафедры кристаллографии СПбГУ, все три изученные модификации характеризуются слоистой структурой, формируемой шестичленными кольцами, состоящими из тетраэдров ZnO4 и PO4.
«Людмила Горелова отметила, что основное отличие заключается в их структуре: при нагревании тетраэдры постепенно раскрываются, что вызывает предсказуемое увеличение симметрии кристаллической структуры. Это позволяет глубже разобраться в том, как материалы ведут себя в процессе использования.
Исследование синтезированных образцов проводилось с использованием оборудования, расположенного в уникальном центре коллективного пользования — Научного парка СПбГУ. Для достижения этой цели были выполнены рентгеновские исследования при повышенных температурах, а также проведен анализ методом спектроскопии комбинационного рассеяния (Рамановской) в диапазоне температур от −150 °С до 1100 °С. Благодаря этому удалось выявить полиморфные преобразования, которые не были заметны при использовании стандартных методик.
Исследование, проведенное учеными Санкт-Петербургского государственного университета, позволит предсказать поведение материала в процессе эксплуатации и выявить, проявит ли керамика трещинообразование или люминесценцию при воздействии высоких температур. Это, в свою очередь, даст возможность оптимизировать применение данного материала в производственных условиях.
Информация и фото предоставлены пресс-службой СПбГУ