80 молодих вчених, які представляли хімічний та фізичний факультети Львівського національного університету імені Івана Франка, Фізико-механічний інститут ім. Г. В. Карпенка НАН України, Національний університет «Львівська Політехніка», Науково-консультаційну компанію «Структура-властивості» взяли участь у роботі IV Школи молодих науковців «Тенденції в сучасній рентгенівській дифракції». Програма школи складалася із 3 лекцій та одного інтерактивного практичного завдання. Запрошені лектори працюють у різних галузях, а тому охоплюють з різних сторін основні проблеми взаємодій трьох ключових понять для синтезу матеріалів, а саме склад – структура – властивості. Лекторами були працівники двох провідних установ, що спеціалізуються на рентгенівському дифракційному методі дослідженні – доктор хімічних наук, старший науковий співробітник Інституту проблем матеріалознавства ім. І. М. Францевича НАН України Марина Буланова, кандидат хімічних наук, старший науковий співробітник Христина Міліянчук та кандидат хімічних наук, провідний науковий співробітник Лев Аксельруд.
Школу урочисто відкрив проректор з наукової роботи Університету доктор хімічних наук, член-кореспондент НАН України, професор Роман Гладишевський. Професор згадав попередні школи, наголосив, що 2015 рік є ювілейним і пов’язаний зі Школою молодих науковців з трьох причин: 120 років виповнюється кафедрі неорганічної хімії (заснована в 1895 році); 120 років тому було засновано Нобелівську премію, за цей час четверо хіміків отримали цю відзнаку Marie Curie-Sklodowska (1911), Linus-Carl Pauling (1954), Roald Hoffmann (1981), Jean-Marie Lehn (1987), що мають зв’язок до сьогоднішньої кристалохімічної школи; 120 років тому Wilhelm Conrad Röntgen у Вюрцбурзі та незалежно Іван Пулюй у Відні відкрили X-промені (рентгенівське, пулюївське проміння).
«Рентгенівське проміння є інструментом для дослідження структури, побудови діаграм стану та вивчення взаємодій», – зазначив проректор з наукової роботи. Роман Євгенович також вказав на інноваційну складову розвитку: «Україна займає 33 місце в світі за інноваційними вкладеннями. Одним із критеріїв цього показника є кількість молодих людей, які вступають до вищих навчальних закладів (5-те місце в світі)».
Першу лекцію на тему «Фізико-хімічна взаємодія і діаграми стану» прочитала Марина Буланова. Мета таких досліджень – створення нових та вдосконалення старих матеріалів. Лекція стосувалася термодинамічних умов та інших факторів щодо кристалізації різних типів фаз (тверді розчини, проміжні фази). «Діаграма стану – це геометричний образ термодинаміки взаємодії фаз» – зазначила лектор. Також доктор хімічних наук детально описала та пояснила вплив термодинамічних, електронних і розмірних чинників на тип кристалізації сплавів, навела подібності між рідкою фазою та кристалічним тілом. «Міжатомні відстані і координаційні числа в розплавах і кристалах є близькими. Координаційні числа прагнуть до максимальних значень. Дифракційна картина розплаву схожа та дифракційну картину кристалів». Після доповіді виникла дискусія – від чого залежить моделювання діаграм стану. Опоненти та лектор зійшлися на думці, що таке програмування залежне від експериментальних даних, потрібна оптимізація всіх даних. Виникає проблема щодо термодинамічних даних для рідин, які важко експериментально визначити.
Про «Взаємозв’язок між кристалічною структурою та властивостями речовин» йшлося в лекції Христини Міліянчук. Лектор проаналізувала по класах сучасні неорганічні матеріали та їхні структурні характеристики. «Найцінніші властивості речовин лежать на стику їхніх характеристик. Явище надпровідності пов’язане із електропровідністю та магнетизмом». Перспективними є високотемпературні надпровідні шаруваті купрати, для яких температура переходу в надпровідний стан є значно вищою за температуру кипіння азоту, що полегшує використання таких матеріалів. Галузі застосування: фізика (ЯМР-спектроскопія), біофізика, геологія, медицина (томографія), транспорт (потяги «Maglev» на магнітній подушці).
Термоелектричні матеріали також залежать від складу та структури. Їхні властивості є на перетині електричних і термічних явищ. Цікавими матеріалами, що володіють високою величиною термоелектричної
добротності є складні сполуки – неорганічні клатрати та скутерудити. Деякі магнітні матеріли крім звичного застосування у постійних магнітах, володіють магнітокалоричним ефектом і можуть використовуватися у магнітних рефрижераторах. Лектор влучно привела приклад порівняння принципу дії циклу Карно та магнітного рефрижератора.
Цікавою була й інформація про матеріали в літій-іонних та в металгідридних акумуляторах. Воднева енергетика та дослідження водневосорбційних сплавів є перспективними сьогодні. Христина Міліянчук наводить багато прикладів зміни властивостей сполук після їх гідрування. Загалом зі збільшенням атомної частки Гідрогену в сполуці, її властивості змінюються із металічних до діелектричних. Кардинальні зміни також можуть відбуватися у магнітних матеріалах (парамагнетизм U2Co2Sn ↔ феромагнетизм α-U2Co2SnH0.1 ↔ антиферомагнетизм β-U2Co2SnH0.1). Гідрування може призвести до зміни симетрії кристалічної гратки та здійснити перехід від структурного типу Mo2FeB2 до K2PtS2 (Nd2NiIn тетрагон. ↔ Nd2NiInН2 тетрагон. ↔ Nd2NiInН4.5 ромб. ↔ Nd2NiInН7 ромб.).
Лектор завершила лекцію риторичним питанням: Гідроген у металах? – ініціатор корозії? – метод дослідження? – важлива складова майбутніх досліджень? Ясна річ, що гідридні матеріали володіють незнаними досі корисними властивостями.
Естафету третьої лекції прийняла Марина Буланова. Тема лекції «Діаграми стану і геометрична термодинаміка». Доповідь стосувалася термодинамічних умов виникнення різних типів взаємодій в однокомпонентних, двокомпонентних та трикомпонентних системах. Лектор детально пояснила різні випадки перетворень із точки зору вільної енергії Гіббса та хімічного потенціалу. Розглядався кожний випадок діаграми стану двокомпонентної системи, як сказала лектор, усі складніші випадки побудови виводяться із типів необмежених рядів твердих розчинів і систем НРТР з мінімумом та максимумом. Марина Буланова зауважила, що термін «евтектична суміш» є некоректним та краще вживати «евтектична кристалізація».
Лев Аксельруд після теоретичного курсу лекцій провів інтерактивне практичне завдання на тему «Прямі методи в розшифруванні кристалічної структури». Практичне заняття стосувалося розшифрування кристалічної структури на основі масиву ренгенівської дифракції порошку. «Десять років тому такі дослідження вважалися фантастикою, раніше думали, що складні структури можна якісно розшифрувати тільки методом монокристалу». Розшифрування та уточнення кристалічної фази проводилося на прикладі програмного забезпечення WinCSD. Процес встановлення структури починається з автоматичного індексування піків. Переваги цієї програми – можна працювати з великою кількістю фаз. Розшифрування дає інформацію про сингонію, тип гратки Браве, просторову групу, параметри елементарної комірки. Найбільш поширені параметри уточнень – координати атомів, параметри коливань атомів, текстурованість зразка. На завершення заняття лектор показав як у цьому програмному середовищі працювати із масивом даних рентгенівської дифракції монокристалу.
Тематика доповідей була різноманітною: від теоретичних основ взаємодій компонентів, геометричного відображення термодинаміки (діаграми стану) до практичного дослідження фаз для синтезу нових матеріалів із цінними та корисними властивостями. Молоді вчені уважно слухали кожну доповідь, задавали питання та активно долучалися до дискусій. На закритті школи Роман Євгенович зробив анонс наступної кристалохімічної школи та міжнародної конференції з кристалохімії інтерметалічних сполук (IMC), що відбудуться в 2016 році.
Василь Кордан, аспірант кафедри неорганічної хімії