Кто такие кристаллографы и зачем они ездят на вулканы: интервью с экспертом

Ежегодно в последнее воскресенье апреля отмечается День геолога. В честь этого праздника журнал INNOVATOR взял интервью у кандидата геолого-минералогических наук, лауреата премии им. М.М. Шульца и стипендии им. Н.А. Торопова, Андрея Павловича Шаблинского. Он подробно рассказал о работе «в полях», обнаружении новых минеральных видов и важности кристаллографии.

— Как Вы можете описать свою основную деятельность в кристаллографии? С какими областями данной дисциплины Вы чаще всего работаете?

— Исследование новых соединений, минералов, твердых растворов; в основном их строения, состава и свойств. Я кристаллохимик и, соответственно, чаще работаю в данной области. Это наука о связи состава, строения и свойств вещества.

— Геологам часто приходится работать «в полях»? Такие исследования более продуктивны, чем лабораторные?

— Обычно геологи выезжают в поля 1-2 раза в год. Такие работы могут быть довольно длительными — до нескольких месяцев. Нашу научную группу все же нельзя отнести к чистым геологам, так как исследования находятся на стыке химии, минералогии, математике и физики. Безусловно, лабораторные исследования могут серьезно продвинуть нашу научную группу, так как мы занимаемся новыми и редкими минеральными видами, которые приходится добывать «с боем» в полях. В тоже время, гарантировать успешность работы никто не может, а сил и времени нужно затратить немало. По моему мнению, нельзя отказываться от полевых исследований в пользу лабораторных, если занимаешься минеральными видами, так как от минералогии ты тогда неизбежно будешь отдаляться. Четко сказать, что будет продуктивнее — нельзя.

— Вы исследуете кристаллы в лаборатории, но для синтеза и исследования их в различных условиях необходимо создание, например, высоких температур и давления. Насколько высокие температуры и давления возможно создать в условиях лаборатории?

— Для того, чтобы одновременно использовать и температуры, и давления в лаборатории обычно используется гидротермальный синтез. Так как считается, что жидкости не сжимаются, то при повышении температуры при таком синтезе резко возрастают давления. Конкретные значения температуры и давлений зависят от автоклавов (камер для такого синтеза), которые используются при гидротермальном синтезе. В природе есть также минералы, которые образуются при атмосферном давлении, но высокой температуре. Например, минералы фумарольных полей вулкана Толбачик. Там происходят как процессы, схожие с газотранспортным синтезом — осаждение вещества из парагазовой фазы —, так и температурные фазовые превращения. Такие процессы можно моделировать при помощи высокотемпературных печей. У нас в лаборатории можно достигать температуры 1600°С при помощи такой печи.

Есть также соединения, которые могут существовать только при высоком давлении. Сейчас, например, исследуются гидриды редкоземельных элементов, которые являются сверхпроводниками при температуре близкой к комнатной, но при высоких давлениях. Возможно, их смогут применять в ячейках высоких давлений в качестве сверхчувствительных детекторов магнитного поля.

— Можно ли создать в лаборатории синтетические соединения с конкретными свойствами? Например, сейчас актуальна проблема дефицита редкоземельных металлов. Можно ли заменить их с помощью чего-то, созданного в лаборатории?

— Можно, но это, безусловно, итерационный процесс, так как теория и эксперимент несколько расходятся. Следовательно, нужно модернизировать состав или структуру. Насколько я знаю, сейчас ведутся исследованию для замены соединений редкоземельных элементов в магнитных материалах на Cu-содержащие соединения. Поэтому работы такие проводятся.

— Чем отличаются драгоценные камни, созданные в лаборатории, от естественных? Возможно, ли точно определить происхождение драгоценного камня?

— Существует много отличий, и даже существует отдельная наука, занимающаяся этим — геммология. Отличия — это обычно примеси и дефекты роста. Насколько я знаю, при детальном исследовании отличить природный драгоценный камень от синтетического практически всегда возможно.

— Можно ли спланировать открытие новых минералов? Теоретически, ученые могут просчитать все возможные сочетания химических элементов и, соответственно, количество возможных минералов?

— Безусловно, ожидается, что часть минералов будет найдена в природе. Например, полиморфные модификации уже известных минералов, которые могут быть стабилизированы примесями, и соответственно, существовать при комнатной температуре. Кроме того, многие синтетические соединения могут быть найдены в природе. Так, например, среди минералов открытых нашей научной группой, где я являлся ведущим автором или одним из ведущих авторов, полный синтетический аналог имел минерал ивсит Na₃H(SO₄)₂, а близкие синтетические аналоги райтит K₂Al₂O(AsO₄)₂ и озероваит Na₂KAl₃(AsO₄)₄.

Ответ на второй вопрос следует начать с того, что есть определенные геохимические обстановки, которые определяют, какие химические элементы могут сосуществовать вместе в природе без воздействия человека. В лаборатории ничто не мешает пробовать нам самые разные сочетания.

В настоящий момент по данным международной минералогической ассоциации известно 6031 новый минеральный вид. Прогнозируется, что минералов около десяти тысяч. Но такие прогнозы могут устаревать, как например и прогнозы, что нефть должна была закончиться в 2000 году. В конце 80-х годов считалось, что минералов будет всего четыре тысячи. Методы исследования совершенствуются, находятся новые геохимические обстановки, может и эволюционировать понятие минерал.

— Некоторые соединения, образующиеся при экстремальных условиях глубоко под землей, распадаются, попадая на поверхность. Сколько времени условное новое соединение должно «прожить», чтобы оно считалось новым открытым минералом?

— Такое соединение из экстремальных глубин фактически никак и не получить. При извержении давление и температура спадают, а пробурились мы только на глубину 12 километров. Отдельные споры могут идти о соединениях, которые могут быть как микровключения в других, относительно стабильных фазах высоких давлений. Например, в алмазах. Может быть, такое включение и сохранило изначальные состав и структуру.

— Вы открыли несколько минералов на местах извержения вулканов. Расскажите, как происходят такие открытия? Геологи специально ждут извержения и потом сразу едут изучать остатки лавы в поисках новых соединений?

— Обычно открытия новых минералов на сегодняшний день происходят в экзотических геохимических обстановках. Но среди всех вулканов, которых немало, лишь считанное число может «похвастаться» тем, что на них открыт новый минерал. Конечно, не все достаточно изучены, но тенденция очевидна. Есть действительно уникальные объекты. Поэтому не каждое новое извержение в мире следует рассматривать, как потенциальный источник открытия новых минеральных видов. Среди вулканов однозначным чемпионом является вулкан Толбачик. Что-то подобное есть только на Везувии, но там запрещено проводить работы, так как это еще и объект исторического наследия. Самый предпочтительный вариант — найти некоторую новую геохимическую обстановку, и изучить ее. Тогда может открыться богатое поле для деятельности минералога. Затем идет визуальный отбор проб образцов в поле, их рассмотрение под микроскопом и, наконец, исследования для определения химического состава и кристаллической структуры минерала.