Ученые уточнили структуру редкого минерала арктита и предложили его в качестве прототипа новых люминофоров
Исследователи из ФИЦ «Кольский научный центр Российской академии наук», Института геологии и геохимии им. академика А.Н. Заварицкого Уральского отделения РАН, ФИЦ проблем химической физики и медицинской химии РАН и МГУ имени М.В. Ломоносова впервые детально описали сложную кристаллическую структуру редкого минерала арктита. Ученым удалось уточнить атомную архитектуру минерала и установить, что его термостойкая кристаллическая решетка эффективно преобразует ультрафиолетовое излучение в видимый свет. Благодаря этому минерал можно рассматривать как инженерный прототип для синтеза искусственных люминофоров, необходимых для современных светодиодов и лазерных технологий.
Что это за минерал?
Арктит — редкий фосфат кальция, натрия и бария, встречающийся только в Хибинском массиве на Кольском полуострове. Более 40 лет он считался минералогической редкостью, известной лишь по единичным находкам. Поводом для нового исследования стала находка осенью 2022 года: при обследовании отвалов Юкспоррского массива с портативным источником ультрафиолета были обнаружены многочисленные зерна минерала с яркой голубой люминесценцией.
Арктит относится к семейству антиперовскитов — материалов с особой, очень прочной кристаллической решеткой. Плотная и жесткая упаковка атомов обеспечивает минералу высокую термостабильность: он выдерживает нагрев до 500 °С без разрушения решетки.
Результаты
Ранее предполагалось, что свечение арктита связано с ионами европия и самария. Применив рентгеноструктурный анализ, электронную микроскопию, инфракрасную и рамановскую спектроскопию, авторы определили, как атомы различных элементов заселяют позиции в структуре. Детальное изучение люминесценции подтвердило: голубое свечение обеспечивают изоморфные примеси церия и самария. Ионы церия работают как сенсибилизаторы — поглощают энергию и передают ее ионам самария, заставляя их светиться. Также в образце впервые обнаружены компоненты, содержащие водород: гидроксильные и гидрофосфатные группы, а также положительно заряженные ионы водорода.
Что дальше?
Арктит представляет собой готовый инженерный прототип. Синтез сложных многокомпонентных структур «с нуля» требует значительных ресурсов. Теперь, когда расшифрованы природная структура прочного кристаллического каркаса и механизмы передачи энергии внутри него, появилась возможность наладить создание синтетических аналогов. Такие искусственные люминофоры могут стать основой для нового поколения сверхъярких и термостойких оптических материалов.