Oxoborates of the ludwigite group: Natural and mineral-like compounds as prospective materials

Мұқаба

Дәйексөз келтіру

Толық мәтін

Аннотация

Research subject. Natural oxoborates of the ludwigite group, including azoproite, ludwigite, and vonsenite. Their empirical formulas based on five oxygen atoms have the following form: azoproite (Mg1.81Fe2+0.19)∑2.00(Fe3+0.36Ti0.26Mg0.26Al0.12)∑1.00 O2(BO3), ludwigite (Mg1.69Fe2+0.30Mn2+0.01)Σ2.00(Fe3+0.90Al0.07Mg0.02Sn0.01)Σ1.00O2(BO3) and vonsenite (Fe2+1.86Mg0.13)∑1.99 (Fe3+0.92Mn2+0.05Sn4+0.02Al0.02)∑1.01O2(BO3). Aim. To establish the relationship between the composition, crystal structure, and thermal behavior (293–1373 K) of the minerals. Materials and methods. Ludwigite was collected at the Iten’yurginskoe tin skarn deposit; vonsenite was collected at the Titovskoe magnesium-skarn boron deposit; azoproite was collected at magnesian skarns of the Tazheran alkaline massif. The methods of single crystal X-ray diffraction, energy dispersive X-ray spectroscopy, high-temperature X-ray diffraction, Mössbauer spectroscopy, and thermal analysis were used. Results. Low-charge cations (Fe2+, Fe2.5+, Mg2+) tend to occupy the M(1)–M(3) sites, and high-charge cations (Fe3+, Al3+, Ti4+, Sn4+) generally occupy the M(4) site. Azoproite is characterized by the highest melting temperature Tm > 1650 K. Due to the low Fe2+ content, azoproite does not undergo solid-phase decomposition across the investigated temperature range. The melting point of ludwigite exceeds 1582 K, which is due to the high Mg content; as a result of the Fe2+ → Fe3+ oxidation, it gradually decomposes with the formation of hematite, warwickite, and magnetite. The temperatures of oxidation and solid-phase decomposition in the Fe2+-rich vonsenite are approximately 100 K lower than those in ludwigite. The melting point of vonsenite is 1571 K. All the minerals are characterized by a weak degree of thermal expansion anisotropy. The main contribution to the thermal expansion anisotropy is due to the preferred orientation of the [BO3]3– triangles. Conclusions. The thermal properties of the oxoborates depend on their chemical composition. It was established that Tm increases with an increase in the Mg and Ti4+ content, and decreases with an increase in the Fe2+ content. The Fe2+ → Fe3+ oxidation is observed when the FeO component in the minerals exceeds 10 wt %, which leads to the solid-phase decomposition starting at temperatures of about 500–600 K. The values of the 293KαV volume thermal expansion of ludwigite and azoproite are comparable, while the largest values were observed for vonsenite. This is associated with the largest average bond lengths, primarily those of 6.

Авторлар туралы

Ya. Biryukov

I.V. Grebenschikov Institute of Silicate Chemistry of the Russian Academy of Sciences (ISC RAS)

Email: y.p.biryukov@gmail.com

A. Zinnatullin

Kazan Federal University, Institute of Physics

R. Bubnova

I.V. Grebenschikov Institute of Silicate Chemistry of the Russian Academy of Sciences (ISC RAS)

F. Vagizov

Kazan Federal University, Institute of Physics

A. Shablinskii

I.V. Grebenschikov Institute of Silicate Chemistry of the Russian Academy of Sciences (ISC RAS)

S. Filatov

Saint Petersburg State University, Institute of Earth Sciences

I. Pekov

Moscow State University

Әдебиет тізімі

  1. Александров С.М. (1976) Магнезиально-железистые бораты, их природные модификации и аналоги. Тр. Минералог. музея им. А.Е. Ферсмана, 25, 3-26.
  2. Бирюков Я.П., Бубнова Р.С., Филатов С.К. (2023) Анизотропия термического расширения варвикита. Физика и химия стекла, 49(5), 538-545. https://doi.org/10.31857/S0132665123600231
  3. Булах М.О., Пеков И.В., Кошлякова Н.Н., Сидоров Е.Г. (2021) Людвигит и юаньфулиит из фумарольных эксгаляций вулкана Толбачик (Камчатка). Зап. Рос. минералог. об-ва, 150(6), 67-87. https://doi.org/10.31857/S0869605521060022
  4. Конев А.А., Лебедева В.С., Кашаев А.А., Ущаповская З.Ф. (1970) Азопроит – новый минерал из группы людвигита. Зап. Всесоюз. минералог. об-ва, 99(2), 225-231.
  5. Кривовичев С.В., Филатов С.К., Семенова Т.Ф. (1998) Типы катионных комплексов на основе оксоцентрированных тетраэдровв кристаллических структурах неорганических соединений. Усп. химии, 67(2), 155-174. https://doi.org/10.1070/RC1998v-067n02ABEH000287
  6. Bachechi F., Federico M., Fornaseri M. (1966) La ludwigite ei minerali che l’accompagnano nelle geodi delle “pozzolane nere” di Corcolle (Tivoli, Colli Albani). Periodico di Mineralogia, 35, 975-1022. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2014.04.031
  7. Bezmaternykh L.N., Kolesnikova E.M., Eremin E.V., Sofronova S.N., Volkov N.V., Molokeev M.S. (2014) Magnetization pole reversal of ferrimagnetic ludwigites Mn3–x NixBO5. J. Magn. Magn. Mat., 364, 55-59. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2014.04.031
  8. Bezmaternykh L., Moshkina E., Eremin E., Molokeev M., Volkov N., Seryotkin Y. (2015) Spin-Lattice Coupling and Peculiarities of Magnetic Behavior of Ferrimagnetic Ludwigites Mn0.52+M1.52+Mn3+BO5(M = Cu, Ni). Solid State Phenomena, 233-234, 133-136. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/SSP.233-234.133
  9. Biryukov Y.P., Zinnatullin A.L., Bubnova R.S., Vagizov F.G., Shablinskii A.P, Filatov S.K., Shilovskikh V.V., Pekov I.V. (2020) Investigation of thermal behavior of mixed-valent iron borates vonsenite and hulsite containingn+ andn+ oxocentred polyhedra by in situ high-temperature Mossbauer spectroscopy, X-ray diffraction and thermal analysis. Acta Cryst. Sect. B: Struct. Sci., Cryst. Engin. Mater., B76(4), 543-553. https://doi.org/10.1107/S2052520620006538
  10. Biryukov Y.P., Zinnatullin A.L., Cherosov M.A., Shablinskii A.P., Yusupov R.V., Bubnova R.S., Vagizov F.G., Filatov S.K., Avdontceva M.S., Pekov I.V. (2021) Low-temperature investigation of natural iron-rich oxoborates vonsenite and hulsite: thermal deformations of crystal structure, strong negative thermal expansion and cascades of magnetic transitions. Acta Cryst. Sect. B: Struct. Sci., Cryst. Engin. Mat., B77, 1021-1034. https://doi.org/10.1107/S2052520621010866
  11. Biryukov Y.P., Zinnatullin A.L., Levashova I.O., Shablinskii A.P., Bubnova R.S., Vagizov F.G., Ugolkov V.L., Filatov S.K., Pekov I.V. (2023) Crystal structure refinement, low- and high-temperature X-ray diffraction and Mössbauer spectroscopy study of the oxoborate ludwigite from the Iten'yurginskoe deposit. Acta Cryst. Sect. B: Struct. Sci., Cryst. Engin. Mat., B79, 368-379. https://doi.org/10.1107/S2052520623006455
  12. Biryukov Y.P., Zinnatullin A.L., Levashova I.O., Shablinskii A.P., Cherosov M.A., Bubnova R.S., Vagizov F.G., Krzhizhanovskaya M.G., Filatov S.K., Shilovskikh V.V., Pekov I.V. (2022) X-ray diffraction and Mossbauer spectroscopy study of oxoborate azoproite (Mg,Fe2+)2(Fe3+,Ti,Mg,Al)O2(BO3): an in situ temperature-dependent investigation (5 ≤ T ≤ 1650 K). Acta Cryst. Sect. B: Struct. Sci., Cryst. Engin. Mat., B78, 809-816. https://doi.org/10.1107/S2052520622009349
  13. Bloise A., Barrese E., Apollaro C., Miriello D. (2010) Synthesis of ludwigite along the Mg2FeBO5-Mg2Al-BO5 join. Neues Jahrbuch für Mineralogie – Abhandlungen, 187(2), 217-223. https://doi.org/10.1127/0077-7757/2010/0175
  14. Bluhm K., Muller-Buschbauln H. (1989) Eine neue Verbindung vom M2TiB2O10-Typ mit geordneter Metallverteilung: NisSnB2O10. Monatshefte fur Chemie, 120, 85-89.
  15. Bubnova R.S., Filatov S.K. (2013) High-Temperature borate crystal chemistry. Z. Kristallogr. Cryst. Mat., 228, 395-428. https://doi.org/10.1524/zkri.2013.1646
  16. Burns P.C., Cooper M.A., Hawthorne F.C. (1994) Jahn-Teller distorted Mn3+O6 octahedra in fredrikssonite, the fourth polymorph of Mg2Mn3+(BO3)O2. Canad. Miner., 32(2), 397-403.
  17. Chaplygin I.V., Yudovskaya M.A., Pekov I.V., Zubkova N.V., Britvin S.N., Vigasina M.F., Pushcharovsky D.Y., Belakovskiy D.I., Griboedova I.G., Kononkova N.N., Rassulov V.A. (2016) Marinaite IMA 2016-021. CNMNC Newslett. No. 32, Miner. Magaz., 80, 915-922.
  18. Damay F., Sottmann J., Fauth F., Suard E., Maignan A., Martin C. (2021) High temperature spin-driven multiferroicity in ludwigite chromocuprate Cu2CrBO5. Appl. Phys. Lett., 118, 192903. https://doi.org/10.1063/5.0049174
  19. Damay F., Sottmann J., Lainé F., Chaix L., Poienar M., Beran P., Elkaim E., Fauth F., Nataf L., Guesdon A., Maignan A., Martin C. (2020) Magnetic phase diagram for Fe3−xMnxBO5. Phys. Rev. B, 101, 094418. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.094418
  20. De Waal S.A., Viljoen E.A., Calk L.C. (1974) Nickel minerals from Barberton, South Africa: VII. Bonaccordite, the nickel analogue of ludwigite. Transact. Geol. Soc. South Africa, 77(3), 373-375.
  21. Dunn P.J., Peacor D.R., Simmons W.B., Newbury D. (1983) Fredrikssonite, a new member of the pinakiolite group, from Långban, Sweden. Geologiska Föreningen i Stockholm Förhandlingar, 105(4), 335-340. https://doi.org/10.1080/11035898309454571
  22. Eakle A.S. (1920) Vonsenite. A preliminary note on a new mineral. Amer. Miner.: J. Earth Planet. Mat., 5(8), 141-143.
  23. Fernandes J.C., Guimarães R.B., Continentino M.A., Borges H.A., Sulpice A., Tholence J-L., Siqueira J.L., Zawislak L.I., da Cunha J.B.M., dos Santos C.A. (1998) Magnetic interactions in the ludwigite Ni2FeO2BO3. Phys. Rev. B, 58(1), 287-292. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.58.287
  24. Freitas D.C., Guimarães R.B., Sanchez D.R., Fernandes J.C., Continentino M.A., Ellena J., Kitada A., Kageyama H., Matsuo A., Kindo K., Eslava G.G., Ghivelder L. (2010) Structural and magnetic properties of the oxyborate Co5Ti(O2BO3)2. Phys. Rev. B, 81, 024432. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.024432
  25. Grew E.S., Anovitz L.M. (1996) Mineralogy, petrology and geochemistry of boron. Rev. Miner., 33, 862.
  26. Heringer M.A.V., Freitas D.C., Mariano D.L., Baggio-Saitovitch E., Continentino M.A., Sánchez D.R. (2019) Structural and magnetic properties of the Ni5Ti(O2BO3)2 ludwigite. Phys. Rev. Mat., 3, 064412. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.3.094402
  27. Heringer M.A.V., Mariano D.L., Freitas D.C., Baggio-Saitovitch E., Continentino M.A., Sanchez D.R. (2020) Spin-glass behavior in Co3Mn3(O2BO3)2 ludwigite with weak disorder. Phys. Rev. Mat., 4, 094402. https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.4.064412
  28. Ivanova N.B., Kazak N.V., Knyazev Yu.V., Velikanov D.A., Bezmaternykh L.N., Ovchinnikov S.G., Vasil’ev A.D., Platunov M.S., Bartolomée J., Patrina G.S. (2011) Crystal Structure and Magnetic Anisotropy of Ludwigite Co2FeO2BO3. J. Exp. Theor. Phys., 113(6), 1015-1024. https://doi.org/10.1134/S1063776111140172
  29. Ivanova N.B., Platunov M.S., Knyazev Yu.V., Kazak N.V., Bezmaternykh L.N., Eremin E.V., Vasiliev A.D. (2012) Spin-glass magnetic ordering in CoMgGaO2 BO3 ludwigite. Low Temp. Phys., 38, 172. https://doi.org/10.1063/1.3679627
  30. Ivanova N.B., Vasil’ev A.D., Velikanov D.A., Kazak N.V., Ovchinnikov S.G., Petrakovski G.A., Rudenko V.V. (2007) Magnetic and Electrical Properties of Cobalt Oxyborate Co3BO5. Phys. Solid State, 49(4), 651-653. https://doi.org/10.1134/S1063783407040087
  31. Kumar J., Deepak J.M., Bhattacharyya A., Nair S. (2020) Investigations of the heterometallic ludwigite Ni2AlBO5. J. Phys.: Condens. Matter, 32, 065601.
  32. Kumar J., Panja S.N., John D., Bhattacharyya A., Nigam A.K., Nair S. (2017) Reentrant superspin glass state and magnetization steps in the oxyborate Co2AlBO5. Phys. Rev. B, 95, 144409.
  33. Li H.K., Wang L., Cai G.M., Fan J.J., Fan X., Jin Z.P. (2013) Synthesis and crystal structure of a novel ludwigite borate: Mg2InBO5. J. Alloy. Comp., 575, 104-108.
  34. Mariano D.L., Heringer M.A.V., Freitas D.C., Andrade V.M., Saitovitch E.B., Continentino M.A., Ghivelder L., Passamani E.C., Sánchez D.R. (2021) Metamagnetic transitions induced by doping with non-magnetic 4+ ions in ludwigites Co5A(O2BO3)2 (A = Zr and Hf). J. Alloy. Comp., 890, 161717.
  35. Martin C., Maignan A., Guesdon A., Lainé F., Lebedev O.I. (2017) Topochemical Approach for Transition-Metal Exchange Assisted by Copper Extrusion: from Cu2Fe-BO5 to Fe3BO5. Inorg. Chem., 56(5), 2375-2378.
  36. Medrano C.P.C., Freitas D.C., Passamani E.C., Pinheiro C.B., Baggio-Saitovitch E., Continentino M.A., Sanchez D.R. (2017) Field-induced metamagnetic transitions and two-dimensional excitations in ludwigite Co4.76Al1.24(O2BO3)2. Phys. Rev. B, 95, 214419.
  37. Medrano C.P.C., Freitas D.C., Sanchez D.R., Pinheiro C.B., Eslava G.G., Ghivelder L., Continentino M.A. (2015) Nonmagnetic ions enhance magnetic order in the ludwigite Co5Sn(O2BO3)2. Phys. Rev. B, 91, 054402.
  38. Mir M., Janczak J., Mascarenhas Y.P. (2006) X-ray diffraction single-crystal structure characterization of iron ludwigite from room temperature to 15 K. J. Appl. Cryst., 39, 42-45.
  39. Moshkina E.M., Gavrilova T.P., Gilmutdinov I.F., Kiiamov A.G., Eremina R.M. (2020) Flux Crystal Growth of Cu2GaBO5 and Cu2AlBO5. J. Cryst. Growth, 545, 125723.
  40. Moshkina E., Ritter C., Eremin E., Sofronova S., Kartashev A., Dubrovskiy A., Bezmaternykh L. (2017) Magnetic structure of Cu2MnBO5 ludwigite: thermodynamic, magnetic properties and neutron diffraction study. J. Phys.: Condens. Matter., 29, 245801.
  41. Moshkina E., Sofronova S., Veligzhanin A., Molokeev M., Nazarenko I., Eremin E., Bezmaternykh L. (2016) Magnetism and structure of Ni2MnBO5 ludwigite. J. Magn. Magn. Mat., 402, 69-75.
  42. Norrestam R., Nielsen K., Sotofte I., Thorup N. (1989) Structural investigation of two synthetic oxyborates: The mixed magnesium-manganese and the pure cobalt ludwigites, Mg1.93(2)Mn1.07(2)O2BO3 and Co3O2BO3. Zeitschrift für Kristallographie, 189, 33-41.
  43. Norrestam R., Dahl S., Bovin J.-O. (1989) The crystal structure of magnesium-aluminium ludwigite, Mg2.11Al0.31 Fe0.53Ti0.05Sb0.01BO5, a combined single crystal X-ray and HREM study. Zeitschrift für Kristallographie, 187, 201-211.
  44. Norrestam R., Kritikos M., Nielsen K., Søtofte I., Thorup N. (1994) Structural Characterizations of Two Synthetic Ni-Ludwigites, and Some Semiempirical EHTB Calculations on the Ludwigite Structure Type. J. Solid State Chem., 111(2), 217-223.
  45. Pekov I.V., Vakhrusheva N.V., Zubkova N.V., Yapaskurt V.O., Shelukhina Y.S., Erokhin Y.V., Bulakh M.O., Britvin S.N., Pushcharovsky D.Y. (2021) Savelievaite, IMA 2021-051. CNMNC Newslett. 63; Mineral. Magaz., 85(6), 910-915.
  46. Popov D.V., Gavrilova T.P., Gilmutdinov I.F., Cherosov M.A., Shustov V.A., Moshkina E.M., Bezmaternykh L.N., Eremina R.M. (2021) Magnetic properties of ludwigite Mn2.25Co0.75BO5. J. Phys. Chem. Solids, 148, 109695.
  47. Sofronova S.N., Eremin E.V., Moshkina E.M., Selyanina A.V., Bondarenko G.N., Shabanov A.V. (2022) Synthesis, structural and magnetic properties of ludwigite Mn1.32Ni0.85Cu0.83BO5. Phys. Solid State, 64(11), 1743-1749.
  48. Stenger C.G., Verschoor G.C., Ijdo D.J. (1973) The crystal structure of Ni5TiB2O10. Mat. Res. Bull., 8, 1285.
  49. Tschermak G. (1874) Ludwigit, ein neues Mineral aus dem Banate. Justus Liebigs Annalen der Chemie, 174(1), 112-122.
  50. Utzolino A., Bluhm K. (1996) Neue Einsichten zur Stabilisierung des Hulsit-Strukturtyps am Beispiel von MnII,2MnIII(BO3)O2 und MnIISrMnIII(BO3)O. Z. Naturforsch., 51b, 1433-1438.

Қосымша файлдар

Қосымша файлдар
Әрекет
1. JATS XML
Жүктеу

© Biryukov Y.P., Zinnatullin A.L., Bubnova R.S., Vagizov F.G., Shablinskii A.P., Filatov S.K., Pekov I.V., 2024

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».