Ученые Санкт-Петербургского государственного университета и Института химии силикатов РАН синтезировали новое соединение с двумя полиморфными модификациями и изучили его свойства. Исследование показало, что оба полиморфа могут быть использованы в качестве твердотельных электролитов в аккумулирующих электростанциях. Результаты исследования опубликованы в научном журнале Inorganic Chemistry Communications.
Кристаллическая структура созданного соединения.
Иллюстрация предоставлена Станиславом Филатовым
Минералогия изучает состав, структуру и свойства природных кристаллических веществ, помогая понять процессы их образования в земной коре. Однако природные минералы часто содержат примеси и имеют разные дефекты, что ограничивает их применение. Синтез новых соединений в лаборатории позволяет создавать чистые материалы с заданными свойствами, а также находить аналоги редких минералов. Например, изучение полиморфных модификаций и суперионной проводимости открывает пути к созданию эффективных компонентов для энергетики, электроники и промышленности.
Геологи Санкт‑Петербургского университета совместно с коллегами из Института химии силикатов РАН синтезировали новое соединение K₂Na₈Ca (SO₄)₆ и обнаружили у него две полиморфные модификации, одинаковые по составу, но отличающиеся по кристаллической структуре.
«Его кристаллическую структуру можно описать либо как плотную упаковку катионов, либо как каркас из колонн, состоящих из кластеров. Они образованы октаэдрами MO₆, где атом металла окружен шестью атомами кислорода, и тетраэдрами SO₄ (атом серы, связанный с четырьмя кислородами). Октаэдры и тетраэдры соединяются друг с другом через общие вершины — атомы кислорода», — объяснил профессор кафедры кристаллографии СПбГУ Станислав Филатов.
По его словам, ранее уже был известен минерал схожего состава, но имеющий различные примеси, — бубноваит, названный в честь одного из авторов исследования, профессора кафедры кристаллографии СПбГУ Риммы Бубновой.
Ученые СПбГУ исследовали кристаллическую структуру нового материала при разных температурах, используя различные методы. При комнатной температуре структуру изучали методом рентгеноструктурного анализа на монокристалле, а при повышенных температурах применяли метод Ритвельда для порошковых образцов. Чтобы полностью понять поведение материала при нагреве, ученые также провели комплексные исследования: рентген порошка при изменении температуры, измерение тепловых свойств, изучение колебаний атомов в кристаллической решетке и проверку электрических характеристик. Такой всесторонний подход позволил детально изучить температурные изменения структуры и свойств материала.
Исследования показали, что при полиморфных превращениях (изменениях структуры при разных температурах) материал сохраняет общие структурные элементы. Основными строительными блоками в обоих случаях выступают комплексы M (TO₄)₆, где M — это натрий, калий или кальций, а T — сера. Разница между модификациями заключается в степени упорядоченности этих блоков: при высоких температурах они расположены хаотично, а при охлаждении постепенно приобретают более упорядоченную структуру. Причем характер этого упорядочивания напрямую зависит от химического состава материала.
Как отмечают ученые, эти результаты имеют важное значение для понимания процессов образования природных минералов со сходной структурой. Особый интерес представляет переход материала в суперионное состояние при нагреве, сопровождающийся резким увеличением электропроводности. Примечательно, что высокотемпературная модификация материала демонстрирует даже более высокую проводимость, чем известный ионный проводник α-Na₂SO₄, что открывает перспективы для его практического применения. В частности, оба полиморфа могут быть использованы в качестве твердотельных электролитов. Например, в аккумулирующих электростанциях.
Работы выполнялись в ресурсных центрах «Рентгенодифракционные методы исследования» и «Оптические и лазерные методы исследования» Научного парка СПбГУ.
Информация и иллюстрация предоставлены пресс-службой СПбГУ
