Ученые РАН получили борат серебра, размывающий границу между слоистыми и каркасными структурами

Бораты одновалентных металлов привлекают внимание разнообразием структурных типов. Многие из таких соединений перспективны как нелинейно-оптические материалы, твердотельные ионные проводники или матрицы для люминофоров. Среди боратов серебра известны фазы с каскадом высокотемпературных суперионных переходов, а их кристаллические архитектуры нередко демонстрируют неожиданные топологические решения.

В кристаллохимии принято разделять слоистые структуры (двумерные сетки) и каркасные (трехмерные). Присутствие в составе гидроксильных групп или молекул воды, как правило, препятствует образованию каркаса: водородные связи «разрушают» жесткую трехмерную постройку, и кристалл формируется из слоев или цепей. Новый гидратированный борат серебра Ag₂[B₈O₁₂(OH)₂] оказался исключением. Его слои не плоские, а сильно гофрированные, с крупными кольцами-«окнами». Обычно водородные связи в слоистых боратах соединяют только ближайшие слои, но здесь они проходят сквозь кольца двух промежуточных слоев и связывают, например, первый слой сразу с четвертым. В результате каждый слой оказывается связан водородными связями с четырьмя другими. Формально структура остается слоистой, но по связности и жесткости напоминает каркасную.

— Эти особенности заставляют пересмотреть привычные представления о границе между слоистыми и каркасными архитектурами, — отмечают авторы работы.

Кристаллы Ag₂[B₈O₁₂(OH)₂] были получены методом твердофазного синтеза в вакуумизированной запаянной кварцевой ампуле. Структуру изучили методами монокристальной и порошковой рентгеновской дифракции. Соединение кристаллизуется в моноклинной сингонии и относится к новому структурному типу. Отдельное внимание уделили атомам серебра: их тепловые смещения заметно ангармоничны, то есть распределение атома в пространстве отклоняется от обычного гармонического приближения, и для описания потребовалось разложение Грамма–Шарлье с коэффициентами третьего порядка.

Топологический анализ показал, что анионный каркас описывается двумя наборами кластеров: в одном случае слои сводятся к двупериодической сети типа fes, в другом — к сети типа sql (квадратная решетка). Расчеты электронной структуры дают прямую запрещенную зону около 2,67 эВ, что делает соединение перспективным для полупроводников и элементов оптоэлектроники.

Работа имеет фундаментальное значение для дизайна новых функциональных материалов и выполнена при грантовой поддержке Российского научного фонда (проект № 23-73-10078). Результаты работы опубликованы в журнале Journal of Solid State Chemistry.

В исследовании приняли участие ученые из Университета МГУ-ППИ в Шэньчжэне, Кольского научного центра РАН (Лаборатория арктической минералогии и материаловедения, Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева, Геологический институт), Мурманского арктического университета, Института химии силикатов им. И.В. Гребенщикова РАН и Санкт-Петербургского государственного университета.