Исследуя хакманит, исследователи обнаружили, что он может многократно менять цвет при воздействии ультрафиолетового излучения, не изнашиваясь. Результаты показывают, что недорогой хакманит, который легко синтезировать, также обладает высокой прочностью и множеством применений.

Исследовательская группа из Университета Турку, Финляндия, уже почти десять лет занимается исследованием и разработкой свойств хакманита. Такие приложения, как персональный УФ-мониторинг и рентгеновская визуализация, были разработаны на основе способности hackmanite изменять цвет.

Хакманит меняет свой цвет с белого на фиолетовый под воздействием ультрафиолетового излучения и в конечном итоге возвращается обратно к белому, если ультрафиолетовое излучение отсутствует. Структурные особенности, позволяющие проводить такие повторяющиеся изменения, до сих пор оставались неясными. Теперь, исследовав три природных минерала — хакманит, тугтупит и скаполит, исследователи нашли ответ.

Эти меняющие цвет минералы являются неорганическими природными материалами, но существуют также органические соединения, углеводороды, которые могут обратимо изменять цвет из-за воздействия радиации. Однако эти углеводороды могут менять цвет лишь несколько раз, прежде чем их молекулярная структура разрушится. Это происходит потому, что изменение цвета влечет за собой резкое изменение структуры, и повторное изменение этого изменения в конечном итоге разрушает молекулу.

"В ходе этого исследования мы впервые обнаружили, что на самом деле 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.

Исследователи доказали, что способность хакманита чередовать белую и фиолетовую формы очень повторяема

По словам профессора Ластусаари, долговечность обусловлена прочной трехмерной клеткообразной общей структурой этих минералов, которая аналогична структуре цеолитов. Например, в моющих средствах каркасоподобная структура 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 при этом саму клетку неповрежденной. Вот почему минералы могут менять цвет и возвращаться к своему первоначальному цвету практически бесконечно", - объясняет докторант-исследователь Сами Вуори.

Ранее было известно, что скаполит меняет цвет гораздо быстрее, чем хакманит, тогда как у тугтупита изменения происходят гораздо медленнее.

"Основываясь на результатах этой работы, мы выяснили, что скорость изменения цвета коррелирует с расстоянием, на которое перемещаются атомы натрия. Эти наблюдения важны для будущих разработок материалов, потому что теперь мы знаем, что требуется от основной структуры, чтобы обеспечить контроль и адаптацию свойств изменения цвета", - говорит докторант-исследователь 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 настоящим выводам без сильной поддержки теоретических расчетов, 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 бы невозможны всего несколько лет назад", - говорит Ластусаари.

Hackmanite обладает удивительным потенциалом для приложений

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 хакманита. В настоящее время они изучают многочисленные области применения хакманита, 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 хакманита и пассивные детекторы для Международной космической станции, предназначенные для измерения поглощения дозы излучения материалами во время космических полетов.

"Сила цвета хакманита зависит от того, насколько сильно он подвергается воздействию ультрафиолетового излучения, а это значит, что материал можно использовать, например, для определения УФ-индекса солнечного излучения. Хакманит, который будет протестирован на космической станции, будет использоваться аналогичным образом, но это свойство также может быть использовано в повседневных приложениях. Например, мы уже разработали приложение для мобильного телефона для измерения ультрафиолетового излучения, которым может пользоваться любой желающий", - объясняет Сами Вуори.

Статья была опубликована в июне в журнале PNAS.