Статья ученых НГУ «Неотъемлемое двойникование и загадочное скручивание кристаллов арагонита» опубликована в журнале Национальной Академии наук США PNAS («Proceedings of the National Academy of Sciences») в феврале. Это издание является одним из наиболее высоко цитируемых междисциплинарных научных изданий. В нем публикуются научные исследования в различных областях: медико-биологические науки, физика, общественные науки.
— До недавнего времени было принято считать, что кристаллы арагонита биогенного происхождения характеризуются существенно более высокой плотностью двойников (сростков двух кристаллов в закономерной ориентировке) по сравнению с образцами, возникшими в результате геологических процессов. На основе исследования кристаллов арагонита из различных местонахождений с помощью монокристаллического рентгеновской дифракции и просвечивающей электронной микроскопии мы показали, что в геологических арагонитах плотности двойников сопоставимы с таковыми в образцах из раковин моллюсков. Именно такое двойникование существенно влияет на прочность материала — при наличии двойников она увеличивается на порядок. Также в результате исследований мы впервые обнаружили в кристаллах арагонита геологического происхождения такое явление, как скручивание. Ранее исследования таких кристаллов проводились многократно, однако никто на него не обращал внимания, его причины до конца не выяснены и по ряду признаков оно остается загадочным для нас, — рассказал кандидат геолого-минералогических наук, доцент кафедры минералогии и геохимии Геолого-геофизического факультета Павел Гаврюшкин.
Арагонит – метастабильная фаза карбоната кальция. При нагревании свыше 400 °C происходит быстрый переход арагонита в кальцит.Несмотря на одинаковый химический состав, арагонит и кальцит имеют различные кристаллические решётки, поэтому и свойства минералов различаются. Арагонит образует призматические, столбчатые, таблитчатые, игольчатые и копьевидные кристаллы. Обычны двойниковые кристаллы, множественные сложные двойники и полисинтетические двойники. Природный минерал входит в состав перламутрового слоя раковин многих видов моллюсков и в экзоскелет кораллов. Форма его кристаллов может отличаться от арагонита неорганического происхождения.
Кристаллы арагонита образуются в живых организмах и в земной коре. Процесс этот протекает следующим образом. Изначально карбонат кальция формируется в панцирях и раковинах моллюсков. Его доля в этих структурах составляет до 99%. Благодаря прослойкам протеина между его кристаллами, а также двойникованию последних, створки моллюсков обладают одновременно прочностью, твердостью и гибкостью. Карбонат кальция – один из основных биоминералов, его исследованием ученые активно занимались на протяжении всей истории кристаллографии. Именно он стал одной из первых расшифрованных ими минералов. Установлено, что из створок и раковин моллюсков, накапливающихся и литифицирующихся на морском дне, образуется слой спрессованного карбоната кальция. Далее в результате тектонических процессов этот минерал попадает в мантию Земли, где под воздействием высоких давлений и температуры переходит в арагонит. Именно этот минерал составляет основную форму карбоната кальция в мантии Земли, где также рождаются кимберлитовые трубки, в которых содержатся алмазы. Ученые НГУ показали, что двойникование может способствовать определению происхождения кристаллов. Однако двойникование кристаллов арагонита ученые НГУ обнаружили случайно.
— Изначально исследовательская цель была другая – поиск гексагонального арагонита, который мог образовываться при воздействии высоких температур. Методом просвечивающей электронной микроскопии при нагревании обнаружить его не удалось — исследуемый нами образец разлагался, но мы заметили, что исходные кристаллы характеризуются огромным количеством двойников. Дальнейшее исследование продолжалось еще на протяжении 8 лет. Изучая кристаллы арагонита геологического происхождения, мы обнаружили, что в них двойникование кристаллов не меньшее, чем в биогенных, данные о которых мы взяли в литературных источниках. И в обоих случаях оно распределено неоднородно. Мы провели моделирование и доказали, что двойникование – неотъемлемая часть структуры арагонита. А если его не наблюдается, значит, имеются какие-либо подавляющие факторы, например, примеси. Также нам удалось показать, что арагониты, образующиеся в области высоких давлений и температур, должны характеризоваться низкой плотностью двойникования. Данное знание важно для наук о Земле, так как оно позволяет отличить кристалл, образовавшийся при высоких давлениях и температурах, от кристаллов,сформировавшихся в приповерхностных условиях. Если сдвойникованных структур мало, значит, он вырос в мантии Земли, а если много — то на поверхности,— объяснил Павел Гаврюшкин.
Исследователи подвергли образцы арагонита геологического происхождения рентгеноструктурному анализу и выявили наличие локальных участков со скручиванием на угол порядка 30 градусов. Как свидетельствуют литературные данные, аналогичная ситуация наблюдается и в образцах арагонита биогенного происхождения, только угол их скручивания составляет 5 градусов.
— Мы пока не выявили причин данного явления. Возможно, в процессе роста кристаллов минерал испытывал какое-либо напряжение и при его компенсации получаются такие структуры, а возможно, скручивание происходит в процессе роста. Поэтому это явление для нас представляется загадочным. Многие исследователи изучали арагонит, однако никто из них ранее скручивание его кристаллов не фиксировал. Мы намерены продолжить исследования в данном направлении и подали заявку в Российский научный фонд на его финансирование, — резюмировал ученый.
