Младший научный сотрудник лаборатории физических и химических методов анализа Института геологии и геохимии им. академика А. Н. Заварицкого УрО РАН Светлана Лепеха стала лауреатом премии губернатора Свердловской области для молодых ученых в номинации «За лучшую работу в области наук о Земле и рационального природопользования». Награду ей принес цикл исследований новых спектроскопических индикаторов структурных особенностей природного алмаза. За этой формулировкой стоит занятие, на первый взгляд, парадоксальное: исследователь ищет изъяны в материале, который принято считать воплощением совершенства. Однако без примесей, деформаций и других нарушений кристаллической решетки алмаз был бы для ученых куда менее интересен.
— Совершенные кристаллы в природе практически не встречаются. Около 99 процентов природных алмазов содержат примеси — как минимум азот, а иногда и множество других элементов. В обычной жизни дефект кажется недостатком. В кристалле это локальное отклонение от идеального порядка атомов, след какого-то события. Можно сказать, жизненный опыт алмаза. Дефекты меняют его цвет, проводимость, люминесценцию. По их сочетанию можно судить о среде образования кристалла, температуре, времени роста, деформации и облучению, — отмечает Светлана Лепеха.
Большинство природных алмазов формируется в мантии Земли на глубине более 150 километров. Прямое изучение этих областей невозможно, поэтому поднятые на поверхность минералы становятся источниками сведений о земных недрах. Во время роста алмаз захватывает микрокристаллы других минералов, а в его кристаллическую структуру входят атомы азота, водорода, никеля и других элементов. Благодаря прочности и химической устойчивости кристалл сохраняет древние особенности строения, превращаясь в архив верхней мантии.
— Каждый природный алмаз уникален, и эта уникальность создается предшествующими событиями. Ничего не проходит бесследно. Если распилить кристалл и подсветить ультрафиолетом, можно увидеть зоны роста — картину, похожую на спил дерева. Иногда в одном алмазе наблюдается несколько стадий формирования, разделенных десятками или сотнями миллионов лет. Это интересная и сложная история, которую нужно научиться читать.
Светлана изучает эту историю методами оптической спектроскопии. Образец облучают светом с определенной длиной волны, после чего регистрируют поглощение или люминесценцию. В спектре появляются линии, связанные с оптически активными центрами — нарушениями кристаллической структуры. Это могут быть отсутствующий атом углерода, примесь другого элемента или более сложная комбинация атомов.
В природных алмазах известно несколько сотен таких центров, но точное атомное строение установлено лишь для небольшой их части. Увидеть линию в спектре — еще не значит понять, что скрывается за ней. Нужно установить условия возникновения дефекта, его связь с другими особенностями кристалла, поведение при изменении температуры и энергии возбуждения. Для этого спектры сравнивают при разных длинах волн и температурах, изучают распределение центров внутри кристалла.
Цикл работ Светланы посвящен фотолюминесцентным центрам природного алмаза, часть которых связана с никелем. Эта примесь входит в структуру во время роста и образует сложные комплексы с другими дефектами. Их состав трудно определить непосредственно, поэтому о природе центров судят по спектрам возбуждения и свечения, температурному поведению и взаимодействию с кристаллической решеткой.
В своих работах Светлана описала несколько новых особенностей фотолюминесценции природных алмазов. Одни из выявленных центров указывают на природное облучение и пластическую деформацию кристалла, другие связаны с присутствием никеля, условиями роста или высокотемпературными процессами. Была обнаружена и ранее не описанная система, отвечающая за розовое свечение некоторых бесцветных и коричневых образцов. Для исследователя эти линии — не каталог сигналов. Важен вопрос, какое событие оставило каждый след и можно ли по совокупности данных восстановить историю кристалла.
— В спектре может появиться отличие, которого вроде бы не должно быть. Тогда начинаешь разбираться: снова просматриваешь образцы, сравниваешь измерения, вспоминаешь, как проводился эксперимент, читаешь литературу, повторяешь все еще раз. И уже не замечаешь, как попал в очередную исследовательскую ловушку. Возможно, отличие окажется ошибкой. А возможно, станет небольшим открытием. Самый радостный момент наступает, когда результат подтверждается и понимаешь, что найдено что-то действительно значимое, — говорит Светлана Лепеха.
Большие массивы спектров требуют продолжительной обработки. Эту рутинную часть Светлана старается автоматизировать: пишет программы и макросы. Но новая деталь на графике снова возвращает исследователя к прибору и образцу.
Практическое применение результатов связано прежде всего с геммологической экспертизой. Технологии производства искусственных алмазов быстро развиваются, синтетические кристаллы становятся все ближе к природным по внешнему виду и основным физическим свойствам. Драгоценные камни подвергают и облагораживанию: облучению, нагреву и другим воздействиям, меняющим окраску.
Экспертам нужны признаки, которые трудно воспроизвести при синтезе. Набор фотолюминесцентных центров может стать своеобразным паспортом природного кристалла. Некоторые изученные Светланой системы пока не обнаружены в синтетических алмазах. Возможность возбуждать их при комнатной температуре и несколькими типами лазеров упрощает анализ. Метод не разрушает образец и может применяться к ограненным камням и ювелирным вставкам.
Другая область применения — поисковая геология. Дефектно-примесный состав алмазов зависит от условий их формирования и последующей истории. Сравнивая устойчивые сочетания признаков, ученые могут устанавливать особенности кристаллов из разных месторождений и уточнять модели образования алмазоносных пород. Для Урала, где известны россыпные алмазы, но происхождение части из них остается предметом дискуссий, такие критерии имеют особое значение.
Исследование дефектов важно и для материаловедения. Алмаз устойчив к радиации, высоким температурам и агрессивным средам, а отдельные центры в его решетке рассматриваются как основа для квантовых сенсоров, источников излучения и элементов обработки информации. Пока такие разработки существуют главным образом на уровне экспериментальных образцов.
Путь Светланы в эту область складывался постепенно. В детстве она разбирала старые советские часы, украшала кукол маминой бижутерией и интересовалась, на какие камни похожи стеклянные вставки. Раннего призвания к минералогии не было. Интерес к физике возник в десятом классе благодаря учителю, рассказывавшему о нанотехнологиях и мире атомов.
После школы Светлана поступила в УрФУ на направление нанотехнологии. В Институт геологии и геохимии она пришла писать дипломную работу отчасти благодаря случаю.
— Мы с одной девушкой по несчастью не сдали квантовую механику и на этом фоне подружились. Она уже ходила в Институт геологии, а я попросилась вместе с ней. Пришла, поговорила с Юлией Владимировной Щаповой, начала заниматься спектроскопией минералов и осталась. Какого-то заранее составленного плана не было. Наверное, в школе вообще трудно понять, что тебе действительно нравится. Чем больше человек увидит разных направлений и встретит разных людей, тем осознаннее будет его выбор.
Ведущий научный сотрудник ИГГ УрО РАН кандидат физико-математических наук Юлия Щапова стала руководителем бакалаврской и магистерской работ Светланы, научила работать на аналитическом оборудовании и готовить первые публикации. Позднее наставниками в исследованиях алмаза стали директор ИГГ УрО РАН профессор РАН Дмитрий Зедгенизов и ведущий научный сотрудник Санкт-Петербургского горного университета Евгений Васильев.
Светлана Лепеха окончила аспирантуру и дописывает кандидатскую диссертацию о наборе и пространственном распределении никельсодержащих центров в природных алмазах. Работу в лаборатории она совмещает с воспитанием троих детей и популяризацией науки среди дошкольников. Вместе с коллегами приносит в детский сад образцы минералов и рассказывает, как они образуются.
— Для малышей нужно выбирать яркие вещи. Я рассказываю, что алмазы рождаются в глубинах Земли, могут возникать при падении метеоритов, их выращивают в лаборатории. Показываю, что они бывают разных цветов: я сама до начала работы с алмазами не особенно обращала на это внимание. Дети — очень благодарные слушатели. В последний раз после лекции в детском саду девочка подарила мне большой блестящий страз, похожий на алмаз.
В ближайших планах Светланы — публикация новых данных об оптических центрах природного алмаза. Совершенных кристаллов в природе почти нет. Для исследователя это хорошая новость: каждый дефект оставляет возможность задать новый вопрос.
В. МЕЛЬНИКОВ