Вместе с академиком РАН, директором Кольского научного центра и лауреатом Научной премии «Сбера» Сергеем Кривовичевым разбираемся, зачем ученые изучают кристаллы, почему в Хибинах так много минералов и какие из них мы никогда не сможем воссоздать сами.
Чем уникальны Хибины
Хибины — это горный массив в центре Кольского полуострова, богатый минералами. Многих из них не найти в других уголках Земли. Такое разнообразие связано с появлением щелочных интрузий — горных пород, которые образовались, когда магма проникла в земную кору, но не вышла на поверхность и застыла на глубине. Такие породы отличаются обилием химических элементов.
Главное событие в истории Хибин произошло примерно 360–380 млн лет назад. Огромные массы магмы стали подниматься из недр Земли, однако вулканического извержения не случилось. Магма медленно застывала под землей и постепенно сформировала горный массив, где теперь работают ученые.
Сергей Кривовичев:
«Я всегда говорю о том, что минералы — это вечность, запечатленная в камне. Когда мы смотрим на минералы, мы действительно видим не поддающиеся человеческому выражению колоссальные временные сроки».
Систематическое изучение Хибин в 1920-х годах начал геолог Александр Ферсман, также над ними работал геохимик Владимир Вернадский. Впоследствии в горах обнаружили крупные запасы полезных ископаемых. Например, в Хибинах находится крупнейшее в мире месторождение апатита — минерала, который используется при производстве удобрений.
Как ученые исследуют структуру минералов
Мир минералов — это мир кристаллов. С помощью рентгеноструктурного анализа можно определить, как именно атомы располагаются внутри кристалла.
Для исследования ученые отбирают под микроскопом отдельный монокристалл. Так называют кристалл, во всем объеме которого атомы образуют единую упорядоченную структуру. Образец может быть совсем маленьким. Его закрепляют на кончике тонкого стеклянного волоска и помещают в монокристальный рентгеновский дифрактометр. Затем исследователи обрабатывают полученные данные и вычисляют координаты атомов.
На основе этих координат компьютер строит трехмерную модель. На ней можно увидеть, где находятся атомы углерода, водорода, азота, серы, кислорода и других элементов. Такая модель помогает определить устройство кристалла и предположить некоторые его свойства.
Например, алмаз состоит из углерода. Из этого же элемента состоит графит, а уголь и сажа представляют собой почти чистый углерод. Однако атомы в этих веществах расположены по-разному, следовательно, характеристики у них будут отличные друг от друга.
Сергей Кривовичев получил Научную премию «Сбера» в 2025 году за теорию анионоцентрированных структур.
Обычно кристаллические структуры описывают так: в центре находится катион — положительно заряженный ион, чаще всего металл. Вокруг него располагаются анионы — отрицательно заряженные ионы. Однако при изучении минералов, появившихся во время извержений вулкана Толбачик на Камчатке, ученые обнаружили структуры, организованные по обратному принципу.
В центре у них находится отрицательно заряженный ион кислорода. Вокруг него располагаются четыре атома металла — в изученных камчатских минералах это была медь.
Сама идея существовала раньше, однако Кривовичев и его коллеги подробно ее исследовали и превратили в теорию. Она позволяет описывать кристаллические структуры, которые организованы не вокруг положительно заряженных металлов, а вокруг отрицательно заряженных атомов.
Минералы простые и сложные
Одни кристаллические структуры устроены сравнительно просто, другие включают множество элементов и большое количество атомных позиций. Сергей Кривовичев предложил измерять сложность кристаллических структур с помощью теории информации Клода Шеннона. Ее основной принцип можно объяснить так: чем больше сведений требуется для полного описания объекта, тем сложнее этот предмет. Простую же структуру можно описать небольшим количеством информации.
На основе этого показателя Кривовичев разделил кристаллические структуры на несколько категорий:
- весьма простые;
- простые;
- средние;
- сложные;
- очень сложные;
- весьма сложные.
Ученый пришел к этой идее после многолетней экспериментальной работы. Данные о разных минералах и неорганических соединениях постепенно накапливались, и он нашел общий принцип, который позволил сравнить множество изученных структур. Выяснилось, что со временем сложность и разнообразие минерального мира увеличивается.
Можно ли создать минерал искусственно
По оценке Сергея Кривовичева, около 80–85% минералов можно получить в лаборатории. Многие из них ученые уже создают самостоятельно.
Но некоторые природные минералы воспроизвести чрезвычайно трудно. Например, чароит — фиолетовый поделочный камень, обнаруженный лишь в одном месте на Земле, в Забайкалье, обладает сложным наноструктурированным строением. В его основе находятся очень маленькие силикатные нанотрубки. Чтобы понять атомное строение чароита, ученым потребовалось много усилий, а воссоздать его в лаборатории сложно прежде всего потому, что у человека в распоряжении нет так много времени, как у природы, «в лаборатории земной коры».
Кстати, минералы встречаются не только на Земле. Твердое вещество метеоритов и астероидов также состоит из минералов. Именно поэтому исследование метеоритов помогает ученым лучше понять, какие процессы происходят в космосе.
Как искусственный интеллект помогает геологам
В Кольском научном центре разрабатывают систему, которая распознает руду по внешнему виду и определяет ее качество. Такая технология важна для производства, где через оборудование проходит большой поток руды. Материал необходимо быстро распознавать и оценивать, поэтому искусственный интеллект может ускорить этот процесс.
Этот материал подготовлен в рамках «ГигаНауки» — совместного проекта «Сбера» и РБК о ключевых научных открытиях и технологических вызовах современности. Проект объединяет видеопрограммы и тексты о медицине, ИИ, биотехнологиях и других направлениях будущего. Важная часть «ГигаНауки» — интеграция нейросети «ГигаЧат», которая помогает простым языком объяснять сложные научные темы.
Реклама, ПАО «Сбербанк», 18+ erid: 2SDnjek1U7M
➤ Подписывайтесь на телеграм-канал «РБК Трендов» — будьте в курсе последних тенденций в науке, бизнесе, обществе и технологиях.