Сепиолит - это легкий пористый минерал, используемый в наполнителях для кошачьих туалетов и в других целях. Необычайные свойства этой глины делают ее очень востребованным минералом, несмотря на его редкость в земной коре: ее добывают всего несколько шахт по всему миру, некоторые из них сосредоточены недалеко от Мадрида в Испании, крупнейшего в мире экспортера этого материала.
Сепиолит был известен с римских времен, когда он использовался для фильтрации и очистки вина, но наше понимание того, как эти крошечные кристаллы поглощают огромное количество жидкости, до сих пор оставалось неуловимым. Группа ученых из Испании и Франции впервые получила монокристаллические рентгенограммы сепиолита, открыв путь к промышленному синтезу и дальнейшему улучшению его свойств. Результаты будут опубликованы в октябрьском выпуске журнала American Mineralogist за 2011 г..
В состав группы входили ученые из университетов Мадрида и Саламанки в Испании, Института Лауэ-Ланжевена (ILL), Европейского центра синхротронного излучения (ESRF) и испанской линии CRG Beamline в ESRF (SpLine), все в Гренобле (Франция).
Ни один другой минерал не поглощает больше воды или других жидкостей так же эффективно, как сепиолиты. Причинами являются его структурная нанопористость из-за туннелей в кристаллах и тот факт, что удлиненные игольчатые кристаллы сепиолита очень рыхло упакованы в легкий пористый материал. Площадь поверхности колеблется от 75 до 400 м2/г, а это означает, что 20 г минерала имеют внутреннюю поверхность, эквивалентную поверхности футбольного поля. Вот почему сепиолит может поглощать воду в 2,5 раза больше своего веса. Туннели в кристаллической структуре вместе с пустым пространством между иглами образуют капиллярную сеть, по которой жидкости могут легко течь вглубь объема, где молекулы прикрепляются к поверхности кристаллов.
Крошечный размер этих кристаллов - несколько микрометров в длину и всего несколько десятков атомов в поперечнике - был главным препятствием для их изучения методами дифракции монокристаллов. Для этого эксперимента ученые собрали образцы волокон сепиолита из двадцати различных месторождений по всему миру. Эти волокна, каждое из которых состоит из множества кристаллов, были сначала визуализированы с помощью электронной микроскопии, а затем изучены с помощью порошковой рентгеновской дифракции..
Однако наиболее точным методом определения трехмерной структуры кристалла является дифракция монокристалла с рентгеновским излучением или электронами в качестве зонда. «Для изучения очень маленьких кристаллов ESRF использует рентгеновский луч с поперечным сечением всего 2 на 5 микрометров. В итоге мы собрали данные рентгеновской дифракции для двух волокон», - говорит Мануэль Санчес дель Рио из ESRF. но данные было нелегко интерпретировать, и требовалось обширное компьютерное моделирование для подтверждения и уточнения информации, собранной в ходе экспериментов по дифракции электронов, проведенных параллельно в Университете Комплутенсе в Мадриде."
Большое разнообразие изученных сепиолитов теперь позволяет команде соотнести физические и химические свойства данного типа с его атомной структурой. «Сегодня ни одна синтетическая глина не превосходит природный сепиолит. Это скоро изменится, поскольку наше понимание их атомной структуры будет определять синтез сепиолитов из других, более распространенных глинистых минералов и разработку совершенно новых материалов для использования в катализе и батареях», - говорит Мерседес Суарес из Университета Саламанки.
Будущее сепиолитов в домашнем хозяйстве находится за пределами мусорного ящика. Уже сегодня они поглощают пролитую жидкость и запахи и стабилизируют водные продукты, такие как краски, смолы и чернила. В синтетической форме они могут связывать пищевые продукты и стабилизировать лекарства., продлевая срок их хранения и превращая сепиолит в съедобный продукт», - заключает Мануэль Санчес дель Рио.