Новые минералы и синтетические аналоги: кристаллогенезис и особенности кристаллохимии

В рамках выполнения научно-исследовательских работ седьмого этапа «Синтетические модели минералов: методы получения, кристаллические структуры, прогноз и экспериментальное исследование физических свойств» 2022 года проекта «Новые минералы и синтетические аналоги: кристаллогенезис и особенности кристаллохимии» были изучены минеральные фазы и их синтетические аналоги, полученные в лаборатории методами раствор-расплавной кристаллизации и гидротермального синтеза. Рентгеновские исследования монокристаллов и порошковых объектов осуществлены в том числе с использованием синхротронного излучения и при низких температурах. Проведены исследования физических свойств ряда фосфатов и борофосфатов, содержащих магнитоактивные катионы в измерениях магнитной восприимчивости и теплоемкости; определены основные параметры магнитных подсистем и установлены основные квантовые состояния. Новые данные о взаимосвязях состав - кристаллическая структура – магнитные свойства для фосфатов, алюмо- и борофосфатов представляют как фундаментальный, так и практический интерес. Они могут стать основой кристаллохимического алгоритма конструирования новых материалов и прогноза их перспективных технологических характеристик. Установленная кристаллическая структура нового силиката K3Mn4Si10O24.33(H2O,OH)3/V,B представляет собой первый пример формирования цепочек из октаэдров, делящих общие грани, из известных к настоящему моментов трехчленных октаэдрических кластеров двух типов, дополняя список экзотических построек и расширяя наши представления в области кристаллохимии. Показано, что особенности магнитной подсистемы в структуре Cs2Cu3(SeO3)4·2H2O из атомов меди в различной координации обусловливают ферримагнитные свойства водного селената меди. С использованием эволюционных методов предсказания кристаллических структур впервые исследована фазовая диаграмма в системе CaO-Al2O3 в диапазоне давлений вплоть до нижней мании Земли. Установлено, что СaAl2O4 со структурой марокита является единственной стабильным соединением в этой системе в диапазоне давлений от 24 до 200 ГПа. Показано, что кристаллохимическое сходство между минералом тинслеитом и его натриевой альтернативой Na2Al2O(PO4)2·0.12H2O обусловлено возможностью «самоорганизации» гибких алюмофосфатных конструкций вокруг структурообразующих ионов Na+ и K+ в слои или каркас. Впервые осуществлен гидротермального синтеза кислородсодержащего соединения с двухвалентным ванадием Na7V4(PO4)6, которое оказалось V-аналогом минерала фумарол юрмаринита, Na7(Fe3+, Mg,Cu)4(AsO4)6. Цеолитоподобные кристаллические структуры синтезированных хлорит-фосфатов меди с высоким уровнем статистического беспорядка среди “атомов-гостей”, захваченных упорядоченным “каркасом-хозяином”, дают основания предполагать каталитические и сорбционные свойства новых соединений и их потенциальную востребованность в качестве материалов для катализа, обмена, распознавания и разделения ионов, а также переработки радиоактивных отходов. С использованием программы ToposPro выполнен теоретический анализ возможных путей миграции различных катионов в гетерофиллосиликатах со структурными типами астрофиллита-1A/-2M и вебленита. Проведено изучение фазовых соотношений и температурно-концентрационных областей мономинеральной кристаллизации в пределах существования расплавов и определены диаграммы растворимости многокомпонентных стеклообразующих боратно-молибдатных систем для усовершенствования технологии выращивания монокристаллов оптического качества с целью их использования в лазерах с диодной накачкой, а также в качестве люминофоров и мультиферроиков. Для получения биосовместимых «витлокитов» состава Ca9M(PO4)6(HPO4), где М = Mg, Zn, или Co, был модифицирован метод перекристаллизации DCDP, что позволило синтезировать в гидротермальных условиях кристаллы витлокита без побочных фаз. Методом межатомных потенциалов проведено моделирование примесных дефектов в повеллите CaMoO4. Рассчитаны энергии растворения одно-, двух- и трехвалентных примесей, представлен их сравнительный анализ и основные закономерности изменения. Оптические керамики состава Er: Y2O3 изучены методами рентгенофазового и полнопрофильного анализов, СЭМ, ИК-Фурье спектроскопии и рентгеновской компьютерной томографии.