Полевые шпаты — одни из самых распространённых минералов в земной коре. Они обладают рядом уникальных свойств, таких как низкая степень термического расширения, высокая химическая и термическая стабильность, а также способность к люминесценции.

Эти свойства делают бариевые полевые шпаты (BaAl2Si2O8) и их синтетические аналоги ценными материалами для промышленного использования. Однако доцент СПбГУ Людмила Горелова, специалист в области кристаллографии, отмечает, что эти материалы могут постепенно деградировать и разрушаться при эксплуатации. Это связано с большим количеством температурных фазовых переходов, которые они претерпевают.

До недавнего времени кристаллические структуры высокотемпературных модификаций этих материалов оставались малоизученными.

Эти знания дают понимание того, как и почему происходит разрушение минералов. Также они позволяют найти способы улучшения качества и повышения долговечности различных керамических материалов на основе BaAl2Si2O8.

За почти 70 лет изучения этих процессов накопилось много противоречивой информации. Однако благодаря современным методам и высокотехнологичному оборудованию Научного парка СПбГУ учёные Университета смогли впервые достоверно определить кристаллические структуры всех высокотемпературных модификаций бариевых полевых шпатов и проследить их трансформацию.

Долговечность материалов (в первую очередь керамики) на основе бариевого полевого шпата сильно зависит от фазовых переходов между низко- и высокотемпературными модификациями. В нашей работе был использован комплекс современных методов исследования, таких как рентгеноструктурный анализ и спектроскопия комбинационного рассеяния при высоких температурах (до 1000 ⁰С), — сказала Людмила Горелова.

Научная группа из СПбГУ обнаружила, что кристаллическая структура гексацельзиана (высокотемпературная модификация BaAl2Si2O8) при нормальных условиях имеет моноклинную структуру с низкой симметрией. Однако при нагревании происходит два полиморфных преобразования, которые увеличивают симметрию структуры и значительно изменяют объём элементарной ячейки.

Исследователи планируют продолжить изучение других представителей полевого шпата в экстремальных условиях. Более глубокое понимание структурных преобразований поможет лучше разобраться в механизмах разрушения керамических материалов и определить оптимальные температуры для работы с керамикой, а также методы её отжига.

Мы надеемся, что помимо фундаментальных кристаллохимических проблем сможем дать ответы и на прикладные вопросы, чтобы наши исследования помогли в разработке и усовершенствовании новых материалов на основе полевого шпата, ― заметила Людмила Горелова.

В 2024 году кафедра кристаллографии Санкт-Петербургского государственного университета будет отмечать свой столетний юбилей. За время своего существования кафедра приобрела известность как в России, так и за её пределами благодаря своим научным достижениям и открытиям.

Продолжая традиции, заложенные профессором Станиславом Константиновичем Филатовым, кафедра проводит исследования бариевых полевых шпатов в области высокотемпературной кристаллографии. За годы своей работы в СПбГУ профессор Филатов провёл масштабное исследование минералов и минералоподобных материалов с использованием метода порошковой терморентгенографии.

Работа научного коллектива под руководством Людмилы Гореловой была выполнена при финансовой поддержке гранта РНФ (№ 22−77−10 033). Исследования проводились на базе Научного парка СПбГУ (ресурсный центр «Оптические и лазерные методы исследования вещества», РЦ „Рентгенодифракционные методы исследования“, РЦ „Геомодель“ и Вычислительный центр СПбГУ).

Результаты работы, поддержанной грантом РНФ, опубликованы в Journal of the European Ceramic Society.