Природный минерал гакманит может менять цвет практически бесконечно, что позволяет применять его во многих областях

Исследуя гакманит, чудо-материал природы, исследователи обнаружили, что он, в дополнение к двум другим минералам, может менять свой цвет при многократном воздействии ультрафиолетового излучения [УФИ] без износа. Результаты показывают, что недорогой гакманит, который легко синтезировать, также является отличным материалом из-за его высокой прочности и применимости для различных целей.

Исследовательская группа из Университета Турку, Финляндия, занимается исследованием и разработкой свойств чудо-материала в течение почти десяти лет. На основе способности гакманита изменять цвет были разработаны такие приложения, как персональный УФ-мониторинг и рентгеновская визуализация.

Гакманит меняет свой цвет с белого на фиолетовый под воздействием УФИ и в конечном итоге возвращается к белому, при отсутствии УФИ. Структурные особенности, обеспечивающие такие повторяющиеся изменения, до сих пор неясны. Теперь, исследовав три природных минерала – гакманит, тугтупит и скаполит, исследователи нашли ответ.

Исследованные минералы, изменяющие цвет, являются неорганическими природными материалами, но существуют также органические соединения, углеводороды, которые могут обратимо менять цвет из-за воздействия излучения. Однако эти углеводороды могут менять цвет лишь несколько раз, прежде чем их молекулярная структура разрушится. Это связано с тем, что изменение цвета влечёт за собой резкое изменение структуры, и повторное изменение приводит к разрушению молекулы.

"В этом исследовании мы впервые обнаружили, что в процессе изменения цвета также происходят структурные изменения. Когда цвет меняется, атомы натрия в структуре перемещаются относительно далеко от своих обычных мест, а затем возвращаются обратно. Это можно назвать структурным дыханием, и оно не разрушает структуру, даже если повторяется большое количество раз," – сообщает профессор Мика Ластусаари с химического факультета Университета Турку, Финляндия.

По словам профессора Ластусаари, долговечность обусловлена прочной трёхмерной каркасной структурой этих минералов, которая аналогична структуре цеолитов. Например, в моющих средствах структура, подобная каркасу, позволяет цеолиту удалять магний и кальций из воды, плотно связывая их внутри пор каркаса.

"В этих минералах, изменяющих цвет, все процессы, связанные с изменением цвета, происходят внутри пор цеолитного каркаса, где находятся атомы натрия и хлора. То есть клеткообразная структура позволяет атомам перемещаться внутри клетки, сохраняя саму клетку неповрежденной. Вот почему минералы могут менять цвет и возвращаться к своему первоначальному цвету практически бесконечно," – объясняет докторант Сами Вуори.

Ранее было известно, что скаполит меняет цвет намного быстрее, чем гакманит, в то время как у тугтупита изменения происходят намного медленнее.

"Основываясь на результатах этой работы, мы выяснили, что скорость изменения цвета коррелирует с расстоянием, на которое перемещаются атомы натрия. Эти наблюдения важны для будущей разработки материалов, потому что теперь мы знаем, что требуется от структуры носителя, чтобы можно было контролировать и регулировать свойства изменения цвета," – комментирует исследователь, докторант Ханна Байрон.

"Для исследования минералов, изменяющих цвет, не было доступных методов определения характеристик, поэтому мы сами разработали новые методы. Однако трудно однозначно интерпретировать результаты, основываясь только на экспериментальных данных. На самом деле, мы не смогли бы прийти к нынешним выводам без серьёзной поддержки теоретических расчётов, поскольку только комбинация экспериментальных и вычислительных данных показывает всю картину. Мы очень благодарны нашему сотруднику профессору Танги Ле Бахерсу и его группе, которые разработали и усовершенствовали подходящие вычислительные методы с такой детализацией и точностью, которые были невозможны всего несколько лет назад," – размышляет Ластусаари.

Гакманит обладает удивительным потенциалом для применения

Исследовательская группа Intelligent Materials на химическом факультете Университета Турку, возглавляемая Ластусаари, уже давно проводит новаторские исследования материалов со свойствами, связанными со светом и цветом, особенно гакманита. В настоящее время они изучают многочисленные области применения гакманита, такие как возможная замена светодиодов и других лампочек природным минералом и использование его в рентгеновской визуализации.

Одним из наиболее интересных направлений, которые в настоящее время изучают исследователи, является дозиметр на основе гакманита и пассивные детекторы для Международной космической станции, предназначенные для измерения дозы радиации, поглощаемой материалами во время космических полетов.

"Интенсивность окраски гакманита зависит от того, насколько сильно он подвергается воздействию УФИ, а это значит, что материал можно использовать, например, для определения УФ-индекса солнечного излучения. Гакманит, который будет испытан на космической станции, будет использоваться аналогичным образом, но это свойство также может быть использовано в повседневности. Например, мы уже разработали приложение для измерения ультрафиолетового излучения на мобильном телефоне, которым может пользоваться любой," – объясняет Сами Вуори.

источник https://www.eurekalert.org/news-releases/956531
перевод, редактура и адаптация Дмитрий Бобров