Кіріспе
Луизиана Жоғарғы Сотының судьясы, канадалық минералог және кристаллограф Фрэнк Кристофер Хоторн (8 қаңтар 1946 жылы Англияның Бристоль қаласында туған) – канадалық минералог, кристаллограф және спектроскопист. Қазіргі уақытта Манитоба университетінде (Винипег, Манитоба, Канада) жұмыс істейді және зейнеткерліктегі ерекше профессор атағын иеленеді. Ол графтар теориясы, байланыс валенттілік теориясы және қатты денелердің электрондық энергия тығыздығына қатысты тәсілдерді біріктіре отырып, күрделі оксидтер мен оксисалттардың атомдық құрылымын, химиялық құрамын және пайда болуын түсінуге қатаң көзқарас ретінде байланыс топологиясын жасады.
Canadian mineralogist and crystallographer
Frank Christopher Hawthorne (born 8 January 1946 in Bristol, England) is a Canadian mineralogist, crystallographer and spectroscopist. He works at the University of Manitoba, Winnipeg, Manitoba, Canada, and is currently Distinguished Professor Emeritus. By combining Graph Theory, Bond Valence Theory and the moments approach to the electronic energy density of solids he has developed Bond Topology
as a rigorous approach to understanding the atomic arrangements, chemical compositions and paragenesis of complex oxide and oxysalt minerals.
Ресми білім беру
Фрэнк С. Хоторн 1946 жылғы 8 қаңтарда Англияның Бристоль қаласында Одри Патрисия (құрметті әкесі Майлз) мен Фрэнк Хоторн отбасында дүниеге келді. 1956 жылы ол Беркширдің Мейденхед қаласына көшіп, Мейденхед округінің ұлдар мектебінде (кейін Мейденхед грамматикалық мектебі, қазіргі Десборо колледжі) математика, физика және география пәндерін тереңдете оқыды, сондай-ақ регби, хоккей, крикет ойнады және жеңіл атлетикамен шұғылданды. Физикалық география оған қатты әсер етті және 15 жасында геолог болуды шешті. Ол Темза аңғарының (кейін Мейденхед) регби клубында регбимен, ал Кукхэм Дин ауылының командасы үшін крикетпен айналысты. 1962 жылдың соңынан бастап ол Лондонның шетіндегі пабтар мен клубтарда ерте ағылшын рок-н-роллын тыңдап, осы музыка жанрының өмір бойына адал жанкүйеріне айналды. 1964 жылы ол таза геологияны оқу үшін Лондон Императорлық колледжіне түсті, регби, хоккей және крикет ойнады, сондай-ақ кейде сыра ішті. Ол қатты тау жыныстары геологиясына қызығушылық танытып, бакалаврлық дипломдық жұмысын жасады. Жерорта теңізіндегі Эльба аралында 3 ай өткізгеннен кейін, ол осы мамандықты дұрыс таңдағанына көз жеткізді. 1968 жылы бітіріп, Онтарионың Гамильтон қаласындағы Макмастер университетіне докторантураға түсті, оның ғылыми жетекшісі кристаллограф Х. Дуглас Гранди болды. Даг Гранди оған зерттеу үшін амфибол үлгісін берді, және осы зерттеу оның амфиболдардың кристалл химиясы тақырыбындағы Ph.D. диссертациясына айналды. Макмастер университетінде Материалдарды зерттеу институты Геология, химия және физика кафедраларымен бірге аға ғылым ғимаратында орналасқан. Барлығы кофе ішіп, түскі ас ішінде бірге отырып, аспиранттар үшін ғылыми тұрғыдан шабыттандыратын атмосфера құрды. Әртүрлі салалардың өкілдері күн сайын ғылым туралы пікірталас жүргізіп, білім алмасты. Институт Хоторнға бір кристаллдық рентгендік дифракция, бір кристаллдық нейтрондық дифракция, инфрақызыл спектроскопия және Мессбауэр спектроскопиясын қолдануға, сондай-ақ көрнекті ғалымдармен танысуға мүмкіндік берді. Атап айтқанда, ол физик И. Дэвид Браунмен және химик Р. Д. Шеннонмен (Дюпон компаниясынан демалысқа шыққан) Бонд Валенттілік теориясын әзірлеген кезде танысты. Бұл теория Хоторнның жұмысында маңызды рөл атқарды және ол Браун мен Шеннонмен өмір бойына дос болды.
Карьера және бейресми білім беру
Фрэнк Хоторн 1973 жылы Ph.D. дәрежесін алып, профессор Роберт Б. Фергюсонмен бірге Канаданың Виннипег қаласындағы Манитоба университетінің Геологиялық ғылымдар кафедрасында докторанттан кейінгі тағылымдамадан өтті. Бұл оның дамуындағы маңызды қадам болды, себебі ол граниттік пегматиттерден алынған минералдардың кең спектрімен, әсіресе Петр Чернидің ықпалы арқылы танысты және Черни мен Фергюсонмен бірге түрлі пегматит минералдары бойынша жұмыс істеді, сондай-ақ бір кристалды рентгендік деректерді тегін алу үшін Макмастер университетінің Материалдар зерттеу институтына жылына бірнеше рет қайта оралды. Докторанттан кейінгі тағылымдамасын аяқтағаннан кейін ол ғылыми қызметкер болып жұмыс істеді, электрондық микрозондты басқарды және басқа профессорлар демалысқа шыққанда оларға дәріс оқыды. Осындай тұрақсыз жағдайда жеті жыл жұмыс істегеннен кейін, ол 1980 жылы, осы бағдарламаның алғашқы жылында Университет зерттеу стипендиясын алды. Федералды үкімет 1970-ші жылдары академиялық жұмыс орындарының жеткіліксіз екенін мойындап, URF бағдарламасын енгізді, осы бағдарлама бойынша стипендия алған адам 5 жыл бойы лекция оқып, зерттеу жұмыстарын жүргізетін профессорлық-оқытушылық қызметкер ретінде жалақы және шағын ғылыми грант алды. Егер URF осы мерзім аяқталғаннан кейін университетте профессорлық қызметке қабылданса, келесі 5 жыл ішінде оның жалақысының бір бөлігін Федералды үкімет төлейтін болды. 1983 жылы Фрэнк Хоторн Канаданың Табиғи ғылымдар және Инженерлік зерттеулер кеңесінен бір кристалды дифрактометр алуға арналған ірі жабдық грантын алды және зертханасын құра бастады, сондай-ақ аспиранттарды қабылдады. Осы кезде Хоторн белгісіз құрылымы бар минералдарды алу үшін Корольдік Онтарио мұражайымен байланыс орнатты және қызметкерлермен (Доктор Фред Дж. Викс және Терри Оттавей) бірге Тусонның Асыл тастар мен минералдар көрмесіне барды, онда ол оның тәжірибелік жұмысы үшін кристаллдардың негізгі көзіне айналған минерал коллекционерлерімен және дилерлерімен танысты. 1983 жылы ол Павия университетінде лекция оқуға шақырылды. Осылайша, Роберта Оберти, Лучано Унгаретти және Джузеппи Росси докторларымен амфиболдардың кристалл химиясы бойынша маңызды ғылыми ынтымақтастық басталып, ол Италияда олармен 4 жылдай кристалл химиясы және Римде Джанкарло Делла Вентурамен амфиболдардағы қысқа мерзімді тәртіп бойынша жұмыс істеді. 1985 жылы ол Чикаго университетіне 2 айға Джозеф В. Смитпен төрт байланысты үш өлшемді торлардың топологиясы бойынша жұмыс істеуге барды. Ол жерде теориялық химик Джереми Бердетпен танысты, ол оны қатты денелердің электрондық энергия тығыздығына қатысты мәндерге таныстырды. Бұл Хоторнның құрылым туралы түсінігі үшін маңызды болды, себебі ол химиялық байланыстардың топологиясын құраушы кристалдардың энергиясымен байланыстырды. 2001 жылы ол Tier I Canada Research Chair стипендиясын алды, бұл оны бакалавриат студенттеріне дәріс оқудан босатты және оған басқа кристаллограф, доктор Елена Соколованы кафедраға, алдымен ғылыми қызметкер, кейіннен ғылыми профессор ретінде тартуға мүмкіндік берді. Доктор Соколова оның кристалл құрылымы туралы идеяларына үлкен әсер етті, сондай-ақ оны Ресейдегі Кристаллография және Минералогия қауымдастығымен таныстырды. Ол Канада Федералды үкіметінен үлкен зертхана құру үшін қаржы алды: бірнеше рентгендік дифрактометрлер, поляризацияланған инфрақызыл спектроскопия және Раман спектроскопиясы, ірі және милли Мессбауэр спектроскопиясы, электрондық микрозонд және екінші иондық массалық спектрометрия үшін микро SIMS, сондай-ақ басқа жергілікті ғалымдармен консорциум құрды, бұл оған және оның студенттеріне Магниттік Ядролық Резонанс, Атомдық Күштер Микроскопиясы және Рентгендік Фотоэлектрондық Спектроскопияға қол жеткізуге мүмкіндік берді, олардың барлығы минералдар мен геохимиялық процестерді сипаттау үшін кеңінен қолданылды.
Ғылыми жұмыс
Дәстүрлі түрде минералогия – бақылау ғылымы болды: минералогтар жаңа минералдарды сипаттайды, белгілі минералдардың тұрақтылық салаларын интенсивті термодинамикалық айнымалыларға қатысты өлшейді, кристалл құрылымдарын шешеді және жетілдіреді, сондай-ақ осы білімді ұйымдастырудың эмпирикалық схемаларын жасауға тырысады және осы схемаларды Жер және қоршаған орта ғылымдарының мәселелеріне қолданады. Көптеген минералдар құрылымдық және химиялық тұрғыдан күрделі (sensu lato) нысандар болып табылады. Бір жағынан, бұл физика мен химиядағы белгілі теориялық әдістермен құрылымды, химиялық құрамды және пайда болуын анықтайтын факторларды сандық түрде теориялық тұрғыдан түсінуді қиын немесе мүмкін емес етеді. Екінші жағынан, минерал неғұрлым күрделі болса, мысалы, вебленит: KNa(H2O)3[(Fe2+5Fe3+4Mn2+6Ca□)(OH)10(Nb4O4{Si2O7}2(Si8O22)2)O2], оның пайда болуы және қасиеттері туралы ақпарат соғұрлым көп болады. Хоторнның жұмысының басты мақсаты – минералогияға қатаң көзқарасқа теориялық негіздерді қалау болды. Кеңістіктегі химиялық байланыстардың байланыс үлгілері осы мақсатта пайдаланылуы мүмкін маңызды энергетикалық ақпаратты қамтиды. Байланыс топологиясы Графтар теориясының, Байланыс валенттілік теориясының элементтерін біріктіреді. Бұл тәсіл координациялық полиэдрлердің белгілі бір жиынтығы үшін барлық топологиялық мүмкін жергілікті құрылымдарды санауға мүмкіндік береді. Трансляциялық симметриясы бар шексіз құрылымдарды орау арқылы шекті графтармен бейнелеуге болады, бұл әдіс кристалдарға да қатысты қолданылады. Кейіс қайтыс болған Джереми Берддеттің жұмысы көрсеткендей, электрондық энергия тығыздығын моменттер әдісі арқылы алуға болады және екі құрылым арасындағы энергия айырмашылығы негізінен олардың сәйкес энергия тығыздығының алғашқы бірнеше айырмашылықтарына байланысты. Бұл келесі қорытындыларға әкеледі: (1) нөлдік реттік моменттер химиялық құрамды анықтайды; (2) екінші реттік моменттер координациялық сандарды анықтайды; (3) төртінші және алтыншы реттік моменттер координациялық полиэдрлердің жергілікті байланысын анықтайды; және (4) жоғары реттік моменттер орташа және ұзақ аралық байланысты анықтайды. Моменттер әдісін қолдану арқылы химиялық реакцияларда аниондық координацияның өзгеруінің кейбір қарапайым минералдық реакциялар үшін реактивтердің өнім фазаларынан түзілу энтальпиясының төмендеуімен және кейбір қарапайым гидратталған фазалар үшін байланыс топологиясының өзгеруінің түзілу энтальпиясының төмендеуімен сандық түрде байланысты екенін көрсетуге болады.
Минералдардағы химиялық реакциялар
Моменттер әдісін қолдану арқылы (жоғарыда қараңыз), минералдардағы химиялық реакцияларды екі түрге бөлуге болады: қысқа қашықтықтағы реттілік амфиболдарда кең таралғанын көрсетті және бұл минералдардың температура мен қысымның өзгеруіне қалай жауап беретінін анықтайды. Осы мінез-құлықтың теориялық негіздері оларды барлық басқа анизодемиялық минералдарға да қолдануға болатынын көрсетеді (2). Химиялық реакцияларда байланыс топологиясы сақталмайтын минералдар минерал түрлерінің көп бөлігін құрайды, бірақ олардың мөлшері аз; алайда, олар қоршаған орта үшін маңызды минералдардың көпшілігін құрайды. Осы минералдардың химиялық құрамын және атомдық деңгейдегі тұрақтылығын анықтайтын критерийлер валенттік қосынды ережесі мен валенттік сәйкес келу принципінен туындайды, және осы күрделіліктің көп бөлігін сандық тұрғыдан жақсы болжауға болады. Сұйық ерітіндідегі түрлер де валенттік қосынды ережесін сақтайды және олардың Льюис негіздік қасиеттері ерітіндідегі түрлердің максималды концентрациясындағы рН-мен байланысты. Сұйық ерітіндідегі күрделі түрлер кристалданатын минералдардың құрылыс блоктарын құрайды, сондықтан олардың құрылымдары олар кристалданған ерітінділердің рН деңгейін сақтайды.
Құрылымның иерархиясы
Математикалық иерархия – элементтердің реттелген жиынтығы, онда реттелу элементтер арасындағы табиғи иерархиялық қатынасты көрсетеді. Құрылымдық иерархия гипотезасы құрылымдардың жоғары байланыс валенттілігіне ие координациялық полиэдрлердің полимерленуіне сәйкес иерархиялық түрде реттелуі мүмкін екенін айтады. және Николай Белов; (2) егер классификацияның негізі минералдардың тұрақтылығы мен мінез-құлқының механизмдік ерекшеліктерімен байланысты факторларды қамтитын болса, онда минералдардың физикалық, химиялық және парагенетикалық сипаттамалары олардың кристалдық құрылымдарының және осы құрылымдардың пайда болатын ортамен өзара әрекеттесуінің табиғи салдары ретінде туындауы керек. Құрылымдық иерархия гипотезасы гипотетикалық құрылым құру процесін қарастыру арқылы негізделуі мүмкін, онда жоғары байланыс валенттілігіне ие полиэдрлер құрылымдық бірлікті қалыптастыру үшін полимерленеді. Бұл гипотетикалық құрылым құру процесі сулы ерітіндіде кристалдану туралы біздің түсініктерімізге ұқсас, онда сулы және гидротермальды ерітінділердегі кешендер кристалдық құрылымдарды құру үшін конденсацияланады, немесе магмадағы байланысқан полиэдрлердің фрагменттері кристалл құру үшін конденсацияланады. Бұл процестер туралы біліміміз механизмдік тұрғыдан қарағанда өте шамалы болғанымен, құрылым гипотезасының негіздері бізге кристалдану және еріу процестері туралы ойлауға мүмкіндік беретін құрылымды ұсынады. Бірнеше минералдық отбасылар үшін құрылымдық иерархиялар жасалған, мысалы, бораттар, уранды оксидтер және оксисалттар, фосфаттар, сульфаттар, арсенаттар және оксидтердегі Cu, Pb және Hg минералдары.
Кристалл құрылымдарында сутегінің рөлі
Сутек минералдарда, әсіресе "гидратациялық су" ретінде кездескенде, бұрын маңызды емес компонент деп есептелді. Бұл көзқарас қазір өзгерді: сутектің полярлы сипаты кристалл құрылымдарындағы күшті байланысқан оксианиондардың полимерлену дәрежесін анықтайды, нәтижесінде кластерлік, тізбекті, қабатты және каркастық құрылымдар пайда болады. Жер ядросының, мантияның және терең қабықтың ішінде қалыптасатын минералдарда сутек аз мөлшерде кездеседі, ал жоғары қысымда донорлық және акцепторлық байланыстардың симметриялануына байланысты сутектің полярлығы төмендейді, сондықтан минералдар көбінесе каркас түрінде кристалданады. Жер қыртысының беткі қабаттарында немесе жер бетінде түзілетін минералдар құрамындағы сутекке жауап ретінде кластерлік, тізбекті, қабатты және каркастық құрылымдарға ие.
Тау жыныстарын құрайтын минералдардағы қысқа қашықтықтағы тәртіп бұзылуы
Ұзақ аралықтық рет (LRO) – кристалдың толық құрамында орташа есептелгенде, атомдардың белгілі бір орналасуда реттелуге бейімділігін сипаттайды. Қысқа аралықтық рет (SRO) – атомдардың кездейсоқ таралуға қайшы келетін топтамаларда жергілікті жиналуға бейімділігі. Байланыс валенттілігі теориясының (БВТ) жергілікті түрі (яғни, орташа емес тәсіл) SRO үлгілерін болжау үшін қолданылуы мүмкін. Инфрақызыл спектроскопия (ИҚ) OH байланысқан түрлердің LRO және SRO-ға сезімтал, ал SRO үлгілерін алу үшін Риетвельд құрылымдық талдауымен және ИҚ спектроскопиясымен біріктіруге болады. Осылайша, H көптеген күрделі тау құраушы минералдарда SRO-ның жергілікті зерттеу құралы ретінде қолданылуы мүмкін.
Тау жыныстарын құрайтын минералдардағы жеңіл литофилді элементтер
Жеңіл литофилді элементтер (ЖЖЭ) бірнеше тау жыныстарын құрайтын минералдардың тобында маңызды өзгермелі компоненттер болуы мүмкін, бұл минералдардың ЖЖЭ-ден бос немесе осы компоненттердің стехиометриялық түрде бекітілген мөлшерін қамтиды деп есептелген. SREF (жай орны REFinement), SIMS (екіншілік иондық массалық спектрометрия) және HLE (сутек сызығын бөліп алу) әдістерін қолдана отырып, осындай кристалл-химиялық мәселелерді жүйелі зерттеу, мұның рас еместігін көрсетті. Ерекше маңыздысы – амфиболдардағы Li, Ti және H, ставролиттегі Li және H, ал турмалиндегі Li рөлі. Бұл жұмыс осы минералдардың кристалл химиясын жақсырақ түсінуге және олардың термодинамикалық қарастырылуы үшін шынайы белсенділік модельдерін құруға мүмкіндік берді.
Амфибол супертобы минералдарының кристаллдық химиясы
1987 жылы Хоторн Роберта Оберти, Лучано Унгаретти және Джузеппе Россипен Павия қаласында амфиболдардың ірі масштабты кристаллдық құрылымдарын нақтылау және электрондық микрозондты талдау арқылы көптеген кристаллхимиялық мәселелерді шешу үшін ынтымақтастық бастады, мысалы. Бұл жұмыс амфиболдардың құрылымын, химиялық құрамын және кездесуін түсінуге маңызды үлес қосты және осы минералдардың толықтырылған жіктемесі мен номенклатурасын жасауға әкелді.
Турмалин супертобындағы минералдардың кристаллдық химиясы
Турмалин минералдары амфиболалармен күрделілігі жағынан бәсекелеседі және жиырма бес жылға дейін көбінесе назардан тыс қалды. Хоторн және оның студенттері осы минералдар бойынша кристалдық-химиялық зерттеулер жүргізіп, турмалин минералдарының жаңа кіші тобын анықтады, турмалиннің катиондық реттілік схемалары бұрынғыдан әлдеқайда күрделі екенін көрсетті, сондай-ақ турмалин супертобы минералдарының жаңа жіктеу жүйесі Халықаралық минералогиялық қауымдастықпен бекітілді. Осыдан кейін турмалинды зерттеулер күрт артып, оны петрогенетикалық тұрғыдан пайдалы минералға айналдырды.
Жаңа минералдардың сипаттамасы
Тас құраушы минералдардың кристалл химиясы бойынша жүйелі жұмыс бұрын белгісіз болған көптеген химиялық алмастыру түрлерін ашуға әкелді, мысалы. Сирек кездесетін қосымша минералдарға қатысты ең басты қызығушылық – бұл жалпы құрылымдық ұйымдардың иерархиялық құрылымымен байланысты жаңа кристалл құрылымдарын зерттеу мүмкіндігі. Көбінесе сәйкес келмейтін жағдайларда, бұл жұмыс өте қызықты жаңалықтарға әкелді [мысалы, сидпитерситте тиосульфаттың және микэкокситте [C4Hg2+4]4+ топтарының табылуы]. Хоторн 180-нен астам жаңа минерал түрін ашуға қатысты.