Введение

Судья Верховного суда Луизианы, канадский минералог и кристаллограф Фрэнк Кристофер Хоторн (родился 8 января 1946 года в Бристоле, Англия) – канадский минералог, кристаллограф и спектроскопист. Он работает в Университете Манитобы, Виннипег, Манитоба, Канада, и в настоящее время является заслуженным профессором на пенсии. Сочетая теорию графов, теорию валентности связей и метод моментов для электронной плотности энергии твердых тел, он разработал топологию связей как строгий подход к пониманию атомного строения, химического состава и парагенеза сложных оксидных и оксисолевых минералов.

Формальное образование

Фрэнк К. Хоторн родился в Бристоле, Англия, 8 января 1946 года в семье Одри Патриции (урожденной Майлз) и Фрэнка Хоторна, и учился в начальной школе Бегбрук (ныне начальная академия Бегбрук) и начальной школе Бишоп-Роуд, Бристоль. В 1956 году он переехал в Мейденхед, графство Беркшир, и поступил в школу для мальчиков округа Мейденхед (позже Мейденхедская гимназия, ныне колледж Десборо), где изучал математику, физику и географию, играл в регби, хоккей, крикет и занимался легкой атлетикой. Его захватила физическая география, и в 15 лет он решил стать геологом. Он играл в регби за клуб «Темз-Вэлли» (позже «Мейденхед») и в крикет за деревню Кукхэм-Дин. С конца 1962 года он знакомился с ранним английским рок-н-роллом в пабах и клубах на окраине Лондона и на всю жизнь стал поклонником этой музыки. В 1964 году он поступил в Имперский колледж Лондона для изучения чистой геологии, игры в регби, хоккей и крикет, а также для случайного употребления пива. Он заинтересовался геологией твердых пород, и его дипломная работа, включавшая 3 месяца на острове Эльба в Средиземном море, убедила его в правильности выбора карьеры. Он окончил колледж в 1968 году и отправился в Университет Макмастера в Гамильтоне, Онтарио, для получения степени Ph.D. под руководством кристаллографа Г. Дугласа Грунди. Даг Грунди дал ему амфибол для изучения, и это изучение переросло в его диссертацию, посвященную кристаллической химии амфиболов. В Университете Макмастера был Институт материаловедческих исследований, расположенный в здании старших естественнонаучных факультетов вместе с кафедрами геологии, химии и физики. Все вместе пили кофе и обедали в атмосфере, которая опьяняла аспирантов с научной точки зрения: все дисциплины смешивались и ежедневно обсуждали научные вопросы. Институт предоставил Хоторну возможность практического использования дифракции рентгеновских лучей на монокристаллах, дифракции нейтронов на монокристаллах, инфракрасной спектроскопии и спектроскопии Мессбауэра, а также познакомиться с выдающимися учеными. В частности, он встретил физика И. Дэвида Брауна и химика Р. Д. Шеннона (находящегося в отпуске от DuPont) во время разработки теории валентности связи. Эта теория сыграла важную роль в работе Хоторна, и он стал пожизненным другом Брауна и Шеннона.

Карьера и неформальное образование

Фрэнк Хоторн получил докторскую степень в 1973 году и продолжил работу в качестве постдокторанта под руководством профессора Роберта Б. Фергюсона в Департаменте геологических наук Университета Манитобы в Виннипеге, Канада. Это стало важным шагом в его профессиональном развитии, поскольку позволило ему ознакомиться с широким спектром минералов из гранитных пегматитов, особенно благодаря влиянию Петра Черного. Он работал с Черным и Фергюсоном над различными минералами пегматитов, регулярно возвращаясь в Институт исследования материалов Университета Макмастера для сбора данных рентгеновской дифракции на монокристаллах (бесплатно). По окончании постдокторантуры он стал научным сотрудником, обслуживая электронный микрозонд и читая лекции за преподавателей, находящихся в академическом отпуске. После семи лет такой нестабильной работы в 1980 году он получил университетскую исследовательскую стипендию, в первый год действия этой программы. Федеральное правительство признало недостаток академических вакансий в 1970-х годах и ввело программу URF, предусматривающую выплату зарплаты и небольшой исследовательской гранта для работы в качестве преподавателя (преподавание и проведение исследований) в течение 5 лет. Если по истечении этого срока получатель стипендии URF был принят на работу в университет, его зарплата частично оплачивалась федеральным правительством в течение следующих 5 лет. В 1983 году Фрэнк Хоторн получил грант на приобретение крупного оборудования от Совета по естественным наукам и инженерным исследованиям Канады на приобретение однокристального дифрактометра и начал создавать свою лабораторию и принимать аспирантов. В это время Хоторн установил связи с Королевским онтарийским музеем как источником кристаллов для минералов с неизвестной структурой и вместе с сотрудниками музея (доктором Фредом Дж. Уиксом и Терри Оттавей) посетил выставку драгоценных камней и минералов в Тусоне, где познакомился с коллекционерами и торговцами минералами, которые стали основным источником кристаллов для его экспериментальных исследований. В 1983 году его пригласили прочитать лекцию в Университете Павии. Это положило начало одному из важнейших научных сотрудничеств в его карьере с докторами Робертой Оберти, Лучано Унгаретти и Джузеппи Росси в области кристаллохимии амфиболов. Он провел около 4 лет в Италии, работая с ними над кристаллохимией и с Джанкарло Делла Вентура в Риме над ближним порядком в амфиболах. В 1985 году он на 2 месяца отправился в Чикагский университет для работы с Джозефом В. Смитом над топологией четырехсвязных трехмерных сеток. Там он познакомился с теоретическим химиком Джереми Бердеттом, который представил ему метод моментов для расчета электронной плотности энергии твердых тел. Это стало ключевым для формирования идей Хоторна о структуре, поскольку связало топологию химических связей с энергией составляющих кристаллов. В 2001 году он был удостоен Канадского научного кресла I уровня, что освободило его от части преподавательской нагрузки в бакалавриате и позволило привлечь в отдел еще одного кристаллографа, доктора Елену Соколову, сначала в качестве научного сотрудника, а затем в качестве профессора-исследователя. Доктор Соколова оказала значительное влияние на его представления о кристаллической структуре, а также познакомила его с сообществом кристаллографии и минералогии в России. Он получил финансирование от федерального правительства Канады для создания крупной лаборатории, оснащенной несколькими рентгеновскими дифрактометрами, поляризованной инфракрасной и рамановской спектроскопией, объемной и милли-Мессбауэровской спектроскопией, электронным микрозондом и микро-SIMS для вторичной ионной масс-спектрометрии, а также сформировал консорциум с другими местными учеными для обеспечения доступа ему и его студентам к спектроскопии ЯМР с магическим углом вращения, атомно-силовой микроскопии и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии, которые широко использовались для характеристики минералов и геохимических процессов.

Научная работа

Традиционно минералогия была наукой наблюдений: минералоги описывают новые минералы, измеряют поля устойчивости известных минералов относительно интенсивных термодинамических переменных, решают и уточняют кристаллические структуры, и пытаются разработать эмпирические схемы организации этих знаний и применять эти схемы к проблемам в науках о Земле и окружающей среде. Большинство минералов являются сложными (sensu lato) объектами как со структурной, так и с химической точек зрения. С одной стороны, это делает количественное теоретическое понимание факторов, контролирующих структуру, химический состав и образование, труднодостижимым или невозможным с помощью устоявшихся теоретических методов физики и химии. С другой стороны, чем сложнее минерал, например, вебленит: KNa(H2O)3[(Fe2+5Fe3+4Mn2+6Ca□)(OH)10(Nb4O4{Si2O7}2(Si8O22)2)O2], тем больше информации он содержит о своем происхождении и свойствах. Основная задача работы Хоторна заключалась в создании теоретических основ для более строгого подхода к минералогии. Характер связей химических связей в пространстве содержит значительную энергетическую информацию, которую можно использовать для этой цели. Топология связей объединяет аспекты теории графов и теории валентности связей. Этот подход позволяет перечислить все топологически возможные локальные расположения для конкретных наборов координационных многогранников. Бесконечные расположения с трансляционной симметрией могут быть представлены конечными графами посредством "замыкания", и этот метод расширяется на кристаллы. Работа покойного Джереми Бердетта показала, что электронную плотность состояний можно получить, используя метод моментов, и что разница энергии между двумя структурами зависит главным образом от первых нескольких различных моментов их соответствующих плотностей состояний. Это приводит к следующим выводам: (1) моменты нулевого порядка определяют химический состав; (2) моменты второго порядка определяют координационные числа; (3) моменты четвертого и шестого порядка определяют локальную связность координационных многогранников; и (4) моменты более высокого порядка определяют связность среднего и дальнего действия. Используя подход моментов, можно показать, что изменения анионной координации в химических реакциях количественно коррелируют с уменьшенной энтальпией образования реагентов из продуктовых фаз для некоторых простых минеральных реакций, и что изменения в топологии связей коррелируют с уменьшенной энтальпией образования для некоторых простых гидратированных фаз.

Химические реакции в минералах

Используя метод моментов (см. выше), химические реакции в минералах можно разделить на два типа: было показано, что упорядоченность на коротких расстояниях широко распространена в амфиболах и определяет химические пути, по которым эти минералы реагируют на изменение температуры и давления. Теоретические разработки, лежащие в основе этого поведения, указывают на то, что они должны быть применимы ко всем другим анизодмическим минералам (2). Минералы, в которых топология связей не сохраняется при химических реакциях, составляют большинство минеральных видов, но встречаются в меньшем количестве; однако они составляют большинство минералов, важных для окружающей среды. Критерии, контролирующие химический состав и стабильность этих минералов на атомном уровне, могут быть выведены из правила сумм валентностей и принципа согласования валентностей, и значительная часть этой сложности может быть достаточно точно предсказана количественно. Кроме того, виды в водном растворе также подчиняются правилу сумм валентностей, и их основность по Льюису масштабируется с pH раствора при максимальной концентрации этих видов. Комплексные виды в водном растворе фактически являются строительными блоками для кристаллизующихся минералов, и, следовательно, структуры сохраняют информацию об pH растворов, из которых они кристаллизовались.

Иерархия структуры

Математическая иерархия – это упорядоченный набор элементов, в котором порядок отражает естественное иерархическое отношение между элементами. Гипотеза иерархии структур утверждает, что структуры могут быть упорядочены иерархически в соответствии с полимеризацией координационных полиэдров с более высокой валентностью связей. и Николая Белова; (2) если в основе классификации лежат факторы, связанные с механистическими деталями стабильности и поведения минералов, то физические, химические и парагенетические характеристики минералов должны возникать как естественные следствия их кристаллических структур и взаимодействия этих структур с окружающей средой их существования. Гипотеза иерархии структур может быть обоснована рассмотрением гипотетического процесса построения структуры, в ходе которого полиэдры с более высокой валентностью связей полимеризуются, формируя структурную единицу. Этот гипотетический процесс построения структуры напоминает наши представления о кристаллизации из водного раствора, где комплексы в водных и гидротермальных растворах конденсируются, образуя кристаллические структуры, или фрагменты связанных полиэдров в магме конденсируются, образуя кристалл. Хотя наши знания об этих процессах довольно расплывчаты с механистической точки зрения, основы гипотезы структуры предоставляют нам основу для осмысления процессов кристаллизации и растворения. Структурные иерархии были разработаны для нескольких минеральных семейств, например, боратов, уранильных оксидов и оксисолей, фосфатов, сульфатов, арсенатов и оксидных минералов, содержащих Cu, Pb и Hg.

Роль водорода в кристаллических структурах

Водород долгое время считался относительно незначительным компонентом в минералах, особенно когда он присутствовал в виде "воды гидратации". Однако этот взгляд изменился: полярность водорода определяет степень полимеризации сильно связанных оксианионов в кристаллических структурах, приводя к образованию кластерных, цепочечных, слоистых и каркасных структур. Минералы, формирующиеся в ядре, мантии и глубокой коре, содержат меньше водорода, а при высоких давлениях водород также становится значительно менее полярным из-за симметризации донорных и акцепторных связей, в результате чего минералы обычно кристаллизуются в виде каркасов. Минералы, образующиеся в поверхностных слоях коры или на поверхности Земли, формируют кластерные, цепочечные, слоистые и каркасные структуры под воздействием содержащегося в них водорода.

Расстройство порядка в скальных минералах

Long Range Order (LRO) описывает тенденцию атомов упорядочиваться в определенных позициях в структуре, усредненную по всему кристаллу. Short Range Order (SRO) – это тенденция атомов к локальной кластеризации в расположениях, не соответствующих случайному распределению. Локальная форма теории валентности связи (то есть, НЕ подход среднего поля) может быть использована для предсказания закономерностей SRO. Инфракрасная спектроскопия (IR) в фундаментальной области колебаний растяжения OH чувствительна как к LRO, так и к SRO соединений, связанных с OH, и можно комбинировать уточнение структуры методом Ритвельда и IR-спектроскопию для определения закономерностей SRO. Таким образом, H может выступать в качестве локального зонда SRO во многих сложных минералах, образующих горные породы.

Легкие литофильные элементы в породообразующих минералах

Легкие литофильные элементы (LLEs) могут являться важными переменными компонентами в ряде групп минералов, образующих горные породы, в которых ранее считалось, что они либо не содержат LLEs, либо содержат их в стехиометрически фиксированных количествах. Систематическое изучение подобных вопросов кристаллохимии с использованием комбинации методов SREF (Site occupancy REFinement), SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) и HLE (Hydrogen Line Extraction) показало, что это не соответствует действительности. Особое значение имеет роль Li, Ti и H в амфиболах, Li и H в стеуролите и Li в турмалине. Данная работа привела к значительному углублению понимания кристаллохимии этих минералов и создала возможность для разработки более реалистичных моделей активности при их термодинамическом расчете.

Кристальная химия минералов амфибольной супергруппы

В 1987 году Хоторн начал сотрудничество с Робертой Оберти, Лучано Унгаретти и Джузеппе Росси в Павии, используя масштабное уточнение кристаллической структуры и анализ электронным микрозондом амфиболов для решения ряда кристаллохимических задач, например. Эта работа оказала значительное влияние на понимание структуры, химического состава и закономерностей распространения амфиболов и привела к более полной классификации и номенклатуре этих минералов.

Кристальная химия минералов супергруппы турмалина

Минералы турмалина не уступают амфиболам по сложности и долгое время оставались относительно малоизученными. Примерно двадцать пять лет назад Хоторн и его ученики начали проводить исследования кристаллохимии этих минералов и быстро выделили новую подгруппу турмалинов, показали, что в турмалине наблюдаются более сложные схемы упорядочения катионов, чем считалось ранее, и новая схема классификации для минералов супергруппы турмалина была утверждена Международной минералогической ассоциацией. После этого количество исследований турмалина значительно возросло, что сделало его важным минералом для петрогенетических исследований.

Описание новых минералов

Систематические исследования в области кристаллохимии породообразующих минералов привели к открытию множества ранее не известных типов химических замещений, например. Особый интерес в отношении редких акцессорных минералов представляет возможность изучения новых кристаллических структур в связи с иерархической организацией структурных элементов в целом. Зачастую, благодаря случайным открытиям, эта работа привела к весьма интересным результатам [например, обнаружение тиосульфата в сидпитерсите и групп [C4Hg2+4]4+ в микэкоксите]. Хоторн принимал участие в открытии 180 новых минеральных видов.