Перовскит — «таинственный» двигатель технологий будущего

Перовскит становится все более важным в экономических процессах камнем. Он добывается ради содержащихся редкоземельных минералов. Так, типичными примесями перовскита являются церий (Се), ниобий (Nb), торий (Th), лантан (La), неодим (Nd) и другие редко встречающиеся в земной коре металлы. Редкоземельные металлы становятся все более привлекательными для геологолов-разведчиков из-за возрастающей на них цены в промышленном производстве. Также из перовскита извлекается титан.

Описание и внешние признаки

Перовскит получил название в честь русского минералога графа Льва Алексеевича Перовского (также граф Лев Алексеевич фон Перовский). Минерал впервые был обнаружен в Уральских горах Густавом Роузом в 1839 году среди камней, найденных в горной системе на окраине Восточно-Европейской равнины.

В современном мире перовскит хорошо известен. Он является общим составляющим насыщенных алюминием и кремнием камней, таких как нефелиновые сиениты, карбонаты, кимберлиты и мелититы, а также в некоторых образованных контактным способом метаморфических мраморов.

Цвет варьируется от черного, коричневого, серого, оранжевого к желтому.

Принадлежит к группе оксидов.

По классификации Струнца (Strunz 8th Edition) состоит в группе 4/С.10-20.

По классификации Никель-Струнца (Nickel-Strunz 10th Edition) принадлежит к группе оксидов (гидроксидов) — вандалы, арсениты, антимониты, бисмутиты, сульфиты, селениты, теллуриты и иодаты.

Минерал также является распространенной материнской породой в неокисленных насыщенных калием породах, таких как кимберлиты, лапроиты и карбонатиты. Кимберлиты представляют особый интерес, так как известно, что рядом с месторождением кимберлитов часто находят залежи алмазов.

Минерал также используют для определения возраста насыщенных калием пород.

Классификация (цвета, сорта, виды)

Считается, что существует много подвидов пероскита, и их общее число возможно превышает несколько сотен. Наиболее изученными остаются двое из них.

  • Дисаналит (dysanalyte). Содержащий ниобий подвид. Обычно массовая частица ниобия составляет 5-10% Nb2O5 (максимально — 26%). Первоначально описан образец из шахты Бадлох, гора Орберг, Баден-Вюртенберг, Германия.

  • Кнопит (Knopite). Подвид перовскита, обогащенный церием. Первые экземпляры были обнаружены в Лангоршольмен, Медельпад, Швеция.
  • В начале XXI века на шахте в Калифорнии, США, был обнаружен бариоперовскит, химическая формула которого BaTiO3. Он получил название из-за доминирующего в составе бария. Размер кристаллов настолько мал (менее 1 нанометра в ширину и 6-8 нанометров в длину), что ученые не могли провести полный комплекс лабораторных исследований. Единственное, что сейчас известно, что камень буч найден на шахте бенитоита, расположенной около пика Санта Рика, округ Сан Бенито, Калифорния, США. На сегодня все экземпляры бариоперовскита являли собой включения в бенитоита.

Химический состав

Химическая формула минерала — CaTiO3 (титановый оксид кальция).

Молекулярный вес составляет 135.96 г.

Структура:

Кальций (Ca) 0.2948Оксид кальция (CaO) 0.4125
Титан (Ti) 0.3522Двуокись титана (TiO2)0.5875
Кислород (O) 0.353

Структура перовскита делает его одним из наиболее гибким минералов — ученые могут легко изменить электрофизическую и кристаллическую структуру камня для нужд исследовательской и промышленной сфер.

В общем, формула кристалла — это АВХ3, где а — это катион большего размера, В — меньший катион, а Х — анион.

Физические свойства

Кристаллы перовскита внешне имеют кубическую структуру с длиной одной грани до 12 см. Поверхность неравномерная, покрыта полосами. Однако, на самом деле он является псевдокубическим (или “ложнокубическим” в вольном переводе из греческого языка). По симметрии перовскит орторомбический, однако строение кристаллов очень близко к изометрическому.

Элементы титана и оксида составляют каркас, в которой октаэдры TiO6 по углам соединяются с другими октаэдрами TiO6. Если бы соединения формировали идеальный угол 90 градусов, структура минерала была бы изометрической. Однако большие ионы кальция и нескольких редкоземельный металлов, которые необходимы для уравновешивания формулы, слишком большие для того, чтобы они равномерно располагались между октаэдрами. Ионы вызывают изгиб или скручивание октаэдров и искажение структуры до орторомбической симметрии.

Физические индикаторы перовскита:

  • блеск: от полуметаллического до алмазного, жирный или восковый;
  • прозрачность: непрозрачные кристаллы;
  • расщепление: несовершенное в одном направлении;
  • излом: конхоидальный, раковистый;
  • твердость по шкале твердости минералов Мооса: 5,5 (соответствует твердости лезвия ножа);
  • удельный вес: 4,0 (показатель ниже среднего для металлических минералов);
  • плотность: 3,98-4,26;
  • цвет черты: от белого к серому (не совпадает с основным цветом камней);
  • хрупкость: мягкий, крошащийся;
  • люминисцентность: отсутствует;
  • радиоактивность: не радиоактивный.

Оптические характеристики:

  • индекс преломления: 2,300-2,380;
  • основность: двуосный;
  • изотропичный;
  • максимальное двулучепреломления: 0,080;
  • плеохроизм: слабый;
  • анизотрофизм: цвет в отраженном свете — темно-серый.

Встречается вместе с хлоритом, тальками, серпентинами, мелилитами, андрандитами, нефелинами, стенами и лейцитами.

Добыча (месторождение)

Встречается, как вторичный минерал, в алкалиновых месторождениях. Камни добывают во многих регионах.

Кристаллы большого размера встречаются в шахтах Ахматова, около Златоуста в Уральских горах, и на массиве Ловозеро на Кольском полуострове в России. Другие месторождения:

  • остров Альнеу, Швеция;
  • Цермат, Швейцария;
  • Баден-Вюртенберг, Саксония, и район Эйфель, Германия;
  • Пьемонт и Ломбардия, Италия;
  • Сан-Паоло, Бразилия;
  • около фьорда Кангердлугссуанк, Гренландия;
  • Квебек, Канада;
  • Колорадо, Калифорния и Арканзас, США.

Сфера и область применения

Перовскит и минералы с кристаллической структурой, соответствующей кальциевому титинату (CaTiO3), показывают необычные физические свойства, которые были широко изучены для практического применения и теоретического изучения. От открытия керамических высокотемпературных сверхпроводников для органических-неорганических полупроводников для высокопроизводительных фотогальванических материалов изучение перовскитов вышло на качественно новый уровень.

Впечатляющая структура и свойства взаимодействия делает минералы отличным полем для исследования в области материаловедения, физики и химии твердого тела. Структурно такие материалы образуют различные кристаллы, в том числе оксидные и металлоорганические перовскиты, шпинели и пирохлоры (список не исключительный).

Украшения

95% добытого минерала используют в промышленности. Ограненные самоцветы встречаются очень редко и составляет интерес разве только для коллекционеров черных или металлических драгоценных камней.

Бытовое использование

Через 170 лет после открытия странного камня с металлическим блеском, обнаруженного в Уральских горах, мир находится в поисках более дешевого и эффективного источника энергии, по сравнению с солнечной энергией. Новые открытия, связанные с минералом, могут серьезно подорвать мировой рынок солнечной энергии, в котором на сегодня доминирует Китай.

Характеристики породы показывают, что не только конкретный минерал, а класс минералов имеет кристаллическую кубическую структуру и алмазоподобную форму. Еще в XIX веке исследователи обнаружили, что запасы камней расположены по всему миру и довольно обильны.

Вплоть до XХI века минерал использовался в качестве сырья для металлов. Однако в 2009 году японский исследователь обнаружил, что полезное ископаемое может поглощать солнечную энергию и превращать ее в электрическую. Это свойство металла похоже на действие подготовленных силиконовых ячеек. Однако ячейки из перовскита поглощали более сильные фотоны солнечного света. Их изготовление обещало быть более простым и дешевым, по сравнении с силиконовыми ячейками, производство которых построено на 14 этапах и требует особенные условие, в том числе высокою температуру, дорогие приборы и чистые помещения.

Потенциальная более низкая стоимость материалов и производства привела к появлению первой волны коммерческих перовскитовых предприятий, в том числе, минимум 2, которые действуют на территории США. Они фокусируются на продуктах, которые способны пошатнуть господство Китая на мировом рынке солнечной энергии.

Исследователи все еще работают над показателями стабильности солнечных элементов, изготовленных их перовскита, так как срок их службы более короткий по сравнению с элементами батарей, изготовленных из кремния.

Отдельно следует отметить, что эффективность элементов солнечных батарей, изготовленных из перовскита, возросла с 15% до 22% за три года, достигнув уровня, который составляет конкуренцию модулям, изготовленным в Китае.

Хоть свойства “чудо-минерала”, как его называют в научных кругах, еще не до конца изучены, ученые надеются представить солнечные батареи из перовскита на рынке в ближайшее время.

В 2016 году ученые из Национальной лаборатории Лоуренса Беркли обнаружили ранее неизвестную грань солнечных элементов, изготовленных из перовскита, скрытых в их кристаллической структуре. Открытие может значительны повысить их эффективность. Исследователи утверждают, что могут повысить эффективность производства энергии перовскитовыми элементами до 31%.

Так, обработка батареей светом и влажностью удаляет дефекты продукта и повышает эффективность фотонного преобразования. Ранее сообщалось, что улучшения будут временными, однако исследования лаборатории Массачусетса показали, что воздействие 40% уровнем властности в течение 30 минут на прибор, изготовленный из перовскита, создает защитную оболочку на его поверхности.

Для полупроводников с размерами менее несколько микрометров, камень обладает беспрецедентными транспортным свойствами носителей, которые обеспечивают их характеристики в фотогальванике. К тому же, как было замечено ранее, солнечные элементы из камня известны своим гистерезисом, который до сих пор остается необъясненным.

Нет необходимости использовать редкоземельные или другие драгоценные металлы для изготовления солнечных элементов на основе перовскита. Панели из полезного ископаемого изготавливаются с использованием низкотемпературного процесса и недорогих обычные солевых растворов, которые известны своими низкими затратами при производстве. Так, батарея мощностью 6 Вт размером 15х20 стоит около 3 долларов.

Научное использование

Недавно добытый в Южной Африке алмаз содержал минерал, которые ранее не встречался в природе. Обнаруженный минерал — это кальциевый перовскит (CaSiO3), был найден внутри алмаза, выкопанный в руднике Куллинан Южной Африки (стал известен в 1905 году благодаря найденному алмазу самого большого размера, часть которого теперь украшает корону Ее Величества Королевы Соединенного Королевства Елизаветы II). Опубликованная в журнале Nature находка дает ключ к разгадке того, как ведет себя внутренняя структура Земли.

Кальциевый перовскит расположен глубоко внутри земной мантии — он является четвертым по распространенности в океанических пластинах.

Несмотря на теоретическую распространенность минерала, предыдущие исследования никогда не давали видимых доказательств его существования. Полагается, что его образование происходит глубоко внутри Земной мантии — на глубине примерно 700 км под земной корой.

Исследования образца (размер которого составляет около 3 мм в диаметре), обнаруженного на глубине менее 1 км под земной корой, показали, что кристалл является примером “глубокого алмаза”, который, скорее всего, был образован на глубине примерно 700 км ниже поверхности Земли при воздействии давления около 240.000 атмосфер.

Наличие перовскита в алмазе, к тому же, четко показывает движение океанических плит в нижних шарах мантии Земли.

Сообщали, что включение из кальциевого перовскита внутри алмаза был виден невооруженным глазом.

Химические процессы

Измененная структура перовскита имеет формулу А2ВО4, то есть он состоит из двух металлических элементов (А и В) и кислорода. Умышленно изменяя структуру минерала, исследователи надеются использовать его в качестве катализатора для стимулирования химических реакций в таких процессах, как конверсия топлива или газа. Для подтверждения своего предположения американский профессор сосредоточился на изопропаноле.

Изопропанол (С2Н8О) можно превратить в пропилен путем дегидратации (удалении воды) или ацетона с помощью реакции дегидрирования (удаления водорода). Если исследователь сможет доказать, что перовскит может действовать в качестве катализатора для активации этих изменений, то драгоценный камень может стать основой для управления другими типами химических реакций.

Увеличение скорости интернета

Новые исследования перовскита показывают, что с его помощью скорость интереса может увеличиться в тысячу раз. Его новые свойства стали известны благодаря способности металла размещать разные катионы.

Катионы являют собой положительно заряженные ионы-частицы с большим количеством протоном, чем электронов. Их заряд обозначается как “+”: Na+ для однозарядного иона натрия и Fe2+ для двукратно заряженного ига железа.

Исследования показывают, что кристаллическая структура перовскита может вмещать широкий спектр катионов, что позволяет разрабатывать многие материалы, в том числе сверхпроводники, солнечные элементы и наночастицы, которые используют в телевизионных дисплеях.

Часть свойств перовскита заключается в его способности использовать терагерцевый спектр при передачи данных. Терагерцевый спектр описывает излучение в длинноволновых частотах от 100 до 10.000 гигагерц (между инфракрасными и радиоволнами).

Полоса пропускания использует свет вместо электричества для передачи данных. Тип используемого света позволяет использовать новый тип структуры для передачи данных через Wi-Fi-систему, известную как LiFi.

Кроме того, кремниевые пластины, покрытие перовскитом, могут реагировать на разные частоты света. Таким образом, они могут не только передавать данные в тысячу раз быстрее с помощью терагерцовых волн, но также могут одновременно активировать множественные передачи данных с использованием разноцветных ламп.

LED

Биполярные электронные свойства структуры минерала не только придает ему способность генерировать электричество из солнечной энергии, но также он может преобразовывать последнее в яркий свет. Светоизлучающий диод — вездесущая в повседневной жизни технология. От экранов ноутбуков и смартфонов до автомобильных ламп и ламп освещения — все эти блага цивилизации имеют в основе полупроводники, которые сложны и дороги в изготовлении. Светодиоды из перовскита в ближайшем будущем станут новым отраслевым стандартом из-за низкой стоимости и их эффективности в преобразовании энергии в свет. Более того, путем изменения атомного состава в структуре, светодиод можно легко настроить для излучения определенного цвета.

Процесс производства светодиодов из перовскита в настоящее время основано на погружении или покрытии необходимой поверхности жидкими химикатами. Новая технология предусматривает нанесения верхнего слоя в газовом состоянии.

Несмотря на быстрый прогресс в изучении камня, многие его свойства еще остаются неизвестными. Так, к примеру, пока не понятна роль хлорида в образовании CH3NH3PbI3, происхождении электрического гистерезиса, наблюдаемого во многих солнечных элементах. Поскольку солнечные элементы из перовскита, как и сами материалы, обладают свойствами, присущими как органическим поглотителям, так и поликристаллическим проводникам, знания, полученные в этой области, неоценима в продвижении современной науки.

Как и солнечный элемент, перовскитный светодиод содержит много слоев, работающих в синергии. Во-первых, шары стекла, оксида Индия и олова и полимерный слой позволяют электронам попасть в светодиод. В этом процессе слой перовскита состоит из мелких зерен, размером в несколько нанометров. При этом, размер отыгрывает решающую роль в эффективности устройства. Более крупное покрытие является более грубым и менее эффективным при пропускании света. Чем меньше размер, тем выше эффективность, и тем ярче свет. Он контролируется температурой во время производства диодов.

Зеленые технологии

Фотоэлектрические окна, которые на рынке представлены как в прозрачном, так и непрозрачном дизайне, могут превращать поглощенный солнечный свет в электричество. Одно такое окно может быть интегрировано в здания, автомобили, дисплеи и многие другие технологии.

В том или ином виде окна представлены с 70-х годов. Хоть они обеспечивают тень, когда солнечно и жарко снаружи, и становятся прозрачными, когда на улице темно и прохладно, они не преобразуют поглощенную энергию в электрическую, т.е. она рассеивается впустую. Однако технология требует доработки, так как большинство полупроводников, используемых при производстве, не могут быть необратимо переключится между прозрачной и непрозрачной фазой без ухудшения свойств передавши энергии.

Как отличить от других драгоценных камней

Без специальных лабораторных методов лучшими индикаторами перовскита являются кристаллическая структура, примеси, полосчатость и местонахождение.

Экземпляры минерала напоминают окрашенные в темный цвет кубы галенита. Однако у последних больший металлический блеск, большая плотность и идеальнее расщепление.