Ученые впервые определили точную структуру и химическую формулу минерала гидрокалюмита, используемого в составе цементных материалов, а также в качестве сорбента тяжелых металлов и различных отрицательно заряженных частиц. Оказалось, что этот минерал в одних и тех же слоях своей структуры содержит два разных отрицательно заряженных иона — хлор и карбонат, что нетипично для минералов и материалов этого типа. Кроме того, авторы выяснили, что под названием «гидрокалюмит» скрывается сразу шесть химически разных соединений. Полученные данные будут полезны при разработке новых материалов на основе гидрокалюмита и улучшении составов промышленных цементов. Результаты исследования, поддержанногогрантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Mineralogical Magazine.
Гидрокалюмит — это минерал со слоистой структурой, напоминающей сэндвич. В нем положительно заряженные слои, содержащие металлы (кальций и алюминий), чередуются с отрицательно заряженными (анионными) слоями. За счет слоистого строения соединения этого типа можно использовать как молекулярные конструкторы, способные поглощать нежелательные анионы и тяжелые металлы из водных растворов. Кроме того, синтетический аналог гидрокалюмита добавляют в строительные цементные смеси, поскольку он помогает лучше связать компоненты и сделать конечный стройматериал прочнее. Однако до сих пор точная химическая формула и структура гидрокалюмита оставались неизвестными, поскольку собранные из разных уголков Земли образцы отличались по составу, а их систематическое исследование ранее не проводилось.
Ученые из Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения РАН (Петропавловск-Камчатский) с коллегами исследовали структуру гидрокалюмита, хранящегося в Национальном музее естественной истории в Париже. С помощью нескольких методов авторы определили точный химический состав минерала и выяснили, как отдельные атомы в нем расположены друг относительно друга.
Оказалось, что в отрицательно заряженных слоях кристалла ионы хлора и карбонатные группы расположены строго упорядоченно. Они чередуются друг с другом, а вокруг них выстраиваются молекулы воды, образуя прочные водородные связи. Такая укладка двух разных отрицательно заряженных ионов в одном минерале — большая редкость, и именно она обеспечивает уникальную способность гидрокалюмита поглощать различные примеси.
Авторы также сравнили собственные результаты с более ранними описаниями гидрокалюмитов из разных месторождений. Оказалось, что под одним названием ученые объединяют как минимум шесть разных минеральных фаз (вариантов структуры) этого материала. Они различаются количеством ионов хлора и карбоната, а также молекул воды в отрицательно заряженных слоях. Это говорит о том, что в природе существует целый ряд очень близких минералов, свойства которых могут несколько отличаться в зависимости от химического состава.
«Понимая, как "упакованы" разные ионы в одном минерале, мы сможем синтезировать материалы с заданными свойствами — например, разработать поглотитель, который будет максимально эффективно удалять из воды сразу несколько загрязнителей. Кроме того, знание структуры гидрокалюмита позволит создавать на его основе строительные смеси повышенной прочности. В дальнейшем мы планируем исследовать другие природные фазы минералов этого семейства, и не исключено, что они окажутся новыми минеральными видами», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Елена Житова, кандидат геолого-минералогических наук, заведующая лабораторией минералогии, ведущий научный сотрудник Института вулканологии и сейсмологии Дальневосточного отделения РАН.
В исследовании принимали участие сотрудники Санкт-Петербургского государственного университета (Санкт-Петербург), Национального музея естественной истории (Франция), Кольского научного центра РАН (Апатиты) и Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова (Москва).
***
Больше результатов исследований грантополучателей Российского научного фонда и актуальных новостей из мира науки доступны в социальных сетях РНФ Вконтакте и Телеграм. Подписывайтесь на канал РНФ в национальном мессенджере MAX.
