Ученые Санкт-Петербургского государственного университета исследовали структуру редкого синтетического минерала цинкофосфата и впервые обнаружили две его высокотемпературные модификации. Исследование поможет определить поведение материала при использовании в промышленности, чтобы сделать его прочнее и долговечнее.
Врезка: Результаты исследования, поддержанного грантом РНФ, опубликованы в научном журнале Journal of Physics and Chemistry of Solids.
Полиморфизм — способность веществ формировать различные кристаллические структуры при изменении условий. Такие превращения происходят при колебаниях температуры, давления, кислотности или в магнитном поле. Именно кристаллическая структура во многом определяет физические свойства соединений.
Иногда полимфорные модификации просты в обнаружении и разительно отличаются по свойствам, например, как графит и алмаз. Другие превращения можно заметить только при проведении сложных исследований с использованием специального оборудования.
Ученые СПбГУ активно изучают явление полиморфизма. Ранее их внимание привлек гексацельзиан, материалы на основе которого используются в стекольной и керамической промышленности благодаря своим физическим свойствам: высокой температуре плавления, химической стойкости, тепловой упругости, люминесцентным характеристикам. Несмотря на то, что это соединение применяется уже полвека, структуры его полиморфных модификаций кристаллографы СПбГУ определили недавно, что помогло установить причины растрескивания материала и повысить его качество для использования в промышленности.
Это исследование позволило ученым Санкт-Петербургского университета выделить семейство соединений, похожих по структуре на гексацельзиан. Так они пришли к изучению синтетического цинкофосфата BaZn2P2O8, который может быть использован для создания различных керамических материалов. Как и гексацельзиан, он интересен с точки зрения термомеханической стабильности и люминесцентных свойств. Однако для правильного управления этими характеристиками необходимо подробно изучить его полиморфные превращения.
Как отметила доцент кафедры кристаллографии СПбГУ Людмила Горелова, все три исследуемые модификации имеют слоистую структуру, образованную шестичленными кольцами из тетраэдров ZnO4 и PO4.
«Их главное различие заключается в геометрии: при нагревании тетраэдры постепенно разворачиваются, что приводит к закономерному повышению симметрии кристаллической решетки. Благодаря этому мы можем лучше понять поведение материалов в реальных условиях эксплуатации», — рассказала Людмила Горелова.
Синтезированные образцы исследовали на оборудовании уникального центра коллективного пользования — Научного парка СПбГУ. Для этого провели рентгеновские эксперименты при высоких температурах, а также исследование методом спектроскопии комбинационного рассеяния (Рамановской) при низких (до -150 °С) и высоких (до 1100 °С) температурах. Это позволило обнаружить «скрытые» для обычных методов полиморфные переходы.
Ученые СПбГУ отметили, что результаты их исследования помогут определить, как поведет себя вещество при его эксплуатации и заранее понять, будет ли растрескиваться или люменесцировать керамика при высоких температурах. Это позволит усовершенствовать опыт использования материала на производстве.
Источник: РНФ
