Иванюкиты: уточненная эволюция и богатый потенциал для современного материаловедения

В августе 2021 года издательство Кембриджского университета выпустило специальный номер журнала «Mineralogical Magazine», посвященный выдающемуся российскому минералогу, доктору геолого-минералогических наук Григорию Иванюку. Два года назад его сердце остановилось в Хибинах во время очередной научной экскурсии.

Одна из статей, опубликованных в журнале, описывает поведение атомной структуры и свойств минералов из группы иванюкита, названных в честь Г. Ю. Иванюка. Эти минералы обладают уникальными ионообменными свойствами – за последнее десятилетие в результате совместных усилий ученых Кольского научного центра и Санкт-Петербургского государственного университета эти минералы были не только открыты в природе, но и получены их искусственные аналоги, для которых оформлено уже несколько российских и международных патентов. В статье 2021 года авторы продолжают исследование иванюкитов.

Иванюкитовые молекулярные сита представляют собой трехмерные пористые постройки из кремнекислородных тетраэдров [SiO₄] и титанатных октаэдров [TiO₆]. Структуры такого типа характерны для более ста минеральных видов, но не все из них обладают важными свойствами. Интересно, что изучение этих минералов идет параллельно с их синтезом в лабораторных условиях – природные лаборатории в земных недрах опережают усилия ученых на целые геологические эоны. Практически все минеральные виды, которые послужили прототипами синтетических материалов, впервые были обнаружены в Хибинском или Ловозерском щелочных массивах Кольского полуострова. Как природные, так и синтетические микропористые титаносиликаты с иванюкитовой структурой обладают выдающимися ионообменными свойствами. Промышленная важность этих соединений состоит в том, что они обладают высокой эффективностью для селективного удаления цезия и стронция из жидких радиоактивных отходов.

Сейчас в природе существуют три минерала группы иванюкита – иванюкит-Na, иванюкит-K и иванюкит-Cu. Они были впервые найдены и встречаются в минеральных жилах Хибинского горного массива на Кольском полуострове.

Команда ученых попыталась ответить на несколько вопросов – как происходит обмен ионами в порах и каналах этих минералов, как реагирует матрица на природу входящего внутрь нее нового катиона, как меняются свойства в процессе ионообменных процессов. Например, добавление меди к природному иванюкиту-K дает светло-голубой цвет, а при увеличении содержания меди приводит к образованию иванюкита-Cu с отчетливо зеленым цветом.

Видимо, именно так и происходит образование иванюкита-Cu в природе – при воздействии растворов меди на первоначально калиевый иванюкит. Это и есть пример эволюции минералов в природных процессах, а такие вторичные минералы, как иванюкит-Cu, выдающийся советский и российский минералог Александр Петрович Хомяков назвал «трансформационными». Таким образом, эксперименты с иванюкитами важны не только для материаловедения, но и для самой минералогии – они вскрывают механизмы вторичных преобразований минералов, которым они подвергаются в скрытых от человеческого глаза земных недрах.

Попытка разгадать тайны образования минеральных видов в природе и использовать их для создания новых материалов с полезными свойствами – одна из важных задач современной минералогии, и работа российских ученых по минералам группы иванюкита – прекрасный пример таких исследований, актуальных как для геологии, так и для химии материалов.