Physical Methods for Studying Jades of Different Colors

Full Text

Введение

Использование различных минералов и камней не ограничивается их применением в качестве украшений и поделочного материала. В последнее время широкое применение они нашли в виде терапевтического оборудования, которое используется по всему миру и имеет особое значение для азиатских народов. Актуальность работы в данном направлении признают многие научные школы, считая, что знания, которые использовались в древности, имеют под собой научную основу¹, и, чтобы обосновать эти знания, необходимо проводить исследования физическими, химическими, биологическими и другими методами.

Обзор литературы

Результаты исследования физическими методами материалов и сопоставление их с результатами натурных исследований дают новые знания, что является особенно интересным для науки, если результаты имеют практическое применение. При участии ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» (г. Иркутск) осуществляется внедрение в производство нагревательных приборов, теплопередающая поверхность которых изготавливается из нефрита, добытого в Восточных Саянах (бассейн рек Китой, Онон, Урик, Белая) [1]. Процесс работы нагревательных приборов описан в одной из наших статей «Комбинированная электрическая система отопления для каркасных домов» [2].

Исследования в этой области ведутся, но их недостаточно, чтобы получить общую картину влияния минералов на окружающий мир. Например, методом оптической абсорбционной спектроскопии исследовался нефрит Баженовского месторождения [3], для объективного измерения и описания окраски нефрита использована методика расчета координат цветности по международной колориметрической системе XYZ [4]. Оптические спектры поглощения записывались на специализированном спектрофотометре SHIMADZU UV-3600 в диапазоне длин волн 185–3300 нм и на стандартизированном спектрофотометре МСФУ-К в интервале длин волн 400–800 нм с шагом 1 нм. По этой методике было определено, что коэффициент отношения интенсивности полос на длинах волн 3 646, 3 662 и 3 675 см^-1 ОН-колебаний около 1 свойственен белому нефриту, 0,98–1 – светло-зеленому, 0,90–0,98 – голубовато-зеленому и менее 0,91 – ярко-зеленому. Расчет данного коэффициента позволил стандартизировать определение цвета нефрита, выявить и дать оценку дополнительных оттенков, которые присутствуют в окраске нефрита. Авторами было определено, что коэффициент отношения интенсивности полос колебаний ОН-групп нефрита Баженовского месторождения составляет 0,94–0,95, а зеленая окраска нефрита связана исключительно с ионами Fe²⁺.

Действительно, основным хромофорным компонентом нефрита является железо (закисное и окисное), входящее как видообразующий элемент в слагающие нефрит амфиболы, и прежде всего актинолит. Окраска высоко железистых нефритов светло-зеленая. Основная роль в окраске нефритов отводится закисному железу. Предполагается также красящее действие хрома, который является характерной изоморфной примесью минералов² [5]. Все имеющиеся сведения о составе нефрита не позволяют с уверенностью судить об индивидуальной роли каждого из хромофорных элементов Fe²⁺, Fe³⁺, Cr²⁺ в окраске этого камня³ [6–8].

Имеется ряд натурных исследований, показывающих благоприятное воздействие на живой организм нефрита, особенно при контактном термическом воздействии, при этом цвет не всегда является определяющим фактором [9]. Доказательством благоприятного медицинского воздействия могут служить только длительные клинические исследования, но при изучении мы можем получить только фактический результат, а не объяснение определенных лечебных свойств. Для объяснения результатов исследований служат специальные физические методы, которые определяют структуру материала и могут охарактеризовать свойство материала. Целью нашей работы является исследование характеристик нефрита разной окраски физическими методами.

Известно множество трудов ученых древности, где они описывали полезные свойства препаратов минерального происхождения, например, в работе Педания Диоскорида «О лекарственных веществах» (De Materia Medica) представлено более ста таких медицинских препаратов. Целебную силу минералов изучали в своих работах такие известные врачи древности, как Гиппократ, Гален, Плиний Старший и Корнелий Цельс⁴ [10; 11].

В своей работе член-корреспондент РАН А. А. Сидоров отметил, что свойствами камней интересовались не только известные писатели (У. Коллинз, А. Куприн, А. К. Дойль, П. Бажов, И. В. Гете, О. Уайльд), но и ученые, которые внесли неоценимый вклад в современную науку (Н. Коперник, Р. Бойль, А. Я. Ферсман, И. Баумер) [12].

Исследования современных ученых показывают, что ИК-излучение от нагретых минералов стимулирует терморегуляционную реакцию поверхностной сосудистой сети, развивается временная гиперемия. Поглощенная тепловая энергия активизирует миграцию лейкоцитов, пролиферацию и дифференцировку фибробластов. Имеет место активизация обменных процессов, ускоряются процессы заживления⁵. Имеются экспериментальные данные о продлении жизни у лабораторных животных на 25–30 % при регулярных термических воздействиях различными минералами. На текущий момент существует множество установок, предназначенных для лечения отдельных заболеваний через воздействие на определенные сегменты, участки тела⁶ [13].

Материалы и методы

Методы спа-терапии реализуются во многих лечебно-профилактических центрах, причем не только в виде терапевтических установок. В ряде гостиниц и отелей используется метод созерцания камней, которые оказывают биостимулирующее воздействие на организм, компенсируя такое явление, как «световой голод». Построенные архитектурные ансамбли из таких камней в парках, усадьбах и садах, безусловно, воздействуют на психологическое состояние людей, оказывая желаемое положительное влияние [14]. Ярким примером создания архитектурных лечебных ансамблей является клинический санаторий «Роща» (г. Харьков), где реализована на практике возможность такого лечения⁷.

Особое внимание среди минералов уделяется нефриту. Медики древности считали, что нефрит облегчает почечные колики, лечит боли в печени, также помогает при мигрени и при болезнях глаз. Считалось, что вода, в которой полежал нефрит, укрепляет мышцы, кости и очищает кровь. Из нефрита даже делались пломбы для зубов.

Нефрит по праву занимает ведущее место среди замечательных самоцветов и поделочных камней‚ изделия из нефрита вызывают восхищение уже не одно тысячелетие. Одним из основных достоинств нефрита, привлекающих к нему внимание специалистов, является его замечательная окраска, которая включает в себя все оттенки листвы⁸. Нефрит является одним из самых распространенных минералов, который применяется в терапевтическом оборудовании. Ценность этого оборудования, зачастую определяется окраской применяемого минерала. Сложно перечислить всех ученых, которые утверждали, что одним из целебных факторов камней является их цвет: данный метод лечения носит название хромотерапия (колортерапия). По запасам нефрита Иркутская область занимает одно из лидирующих положений, добываемый нефрит имеет светло-зеленую окраску, бывает белым, темно-зеленым и черным, поэтому научные исследования в этой сфере будут полезны в различных отраслях народного хозяйства [15–17].

Для исследования были изготовлены образцы желтого, зеленого, черного и белого цветов типа «шлиф», имеющие плоскую поверхность.

Результаты исследования

Для определения химического состава нефрита в основном пользуются расчетом по А. А. Булаху. Используя данный метод, определялся химический состав исследуемых образцов⁹. Несмотря на имеющиеся работы, связанные с окраской нефрита, этот вопрос не решен полностью, поэтому исследования в этом направлении являются необходимыми и актуальными.

Развитие знаний в данной области во многом обязано применению физических методов анализа: изотопный, спектроскопический, рентгеновский и др. Атомная структура кристаллических тел может быть изучена методом рентгеноструктурного анализа, в основе которого лежит взаимодействие рентгеновского излучения с электронами вещества, в результате возникает дифракция рентгеновских лучей. Дифракционная картина зависит от длины волны используемого рентгеновского излучения и строения объекта. Рентгеновский фазовый анализ является наиболее эффективным методом установления фазового состава вещества. Каждая кристаллическая фаза дает индивидуальную дифракционную картинку. Рентгенограмма смеси нескольких фаз может быть произведена путем сопоставления рентгенограммы исследуемого и известных веществ методом сравнения межплоскостных расстояний d и интенсивности отражения.

Каждая фаза имеет кристаллическую решетку. Семейства атомных плоскостей, образующих эту решетку, обладают характерным для данной решетки набором значений межплоскостных расстояний d_HKL. Межплоскостные расстояния определяются по формуле Вульфа – Брэггов:

$n\lambda =2d\sin \theta$

или

$\frac{d}{n}=d_{HKL}=\frac{\lambda }{2\sin \theta }$ ,           (1)

где n – порядок отражения; λ – длина волны характеристического рентгеновского излучения; d – межплоскостное расстояние; θ – угол дифракции.

Знание межплоскостного расстояния исследуемого объекта позволяет охарактеризовать его кристаллическую решетку, так как значения d_HKL= d_hkl /n можно рассматривать как межплоскостные расстояния для фиктивных плоскостей с индексами HKL, где HKL – индексы интерференции, равные произведению соответствующих индексов плоскости hkl на порядок отражения, то есть H = nh; K = nk; L = nl.

Поскольку λ величина известная, то задача определения межплоскостных расстояний d/n сводится к нахождению углов θ для всех линий рентгенограммы.

Для идентификации фаз не требуется высокой точности измерений (достаточно сотых долей градуса Δθ) При этом удается оценивать межплоскостные расстояния с ошибкой 0,01–0,001 Å. По мере приближения угла θ к 90º небольшая ошибка дает исчезающе малую ошибку в d. Это видно, если продифференцировать уравнение Вульфа – Брэггов:

$\left|\frac{\Delta d}{d}\right|=ctg\theta \Delta \theta .$                 (2)

Средняя чувствительность метода к содержанию фазы в образце составляет несколько процентов.

Фазовый анализ нефритов проводился в ФГБОУ ВО «Иркутский национальный исследовательский технический университет» на дифрактометре ДРОН-1. Регистрация дифракционной картины проводилась с помощью сцинтилляционного счетчика с амплитудной дискриминацией. Дифракционная картина регистрировалась последовательно по мере вращения образца и счетчика, которые расположены на гониометре ГУР-5. Отчет углов поворота производится с погрешностью до 0,005º.

В результате исследования был определен химический состав исследуемых образцов нефритов (1 – желтый нефрит, 2 – зеленый нефрит, 3 – черный нефрит, 4 – белый нефрит), результаты представлены в таблице 1.

 

Таблица 1 Химический состав нефритов разной окраски

Table 1 The chemical composition of jades of different colors

 

Химический элемент /Chemical element	1	2	3	4
SiO2	56,9800	56,7300	56,310	56,9700
Al2O3	1,2000	1,2000	0,600	1,1000
TiO2	0,0500	0,0500	0,050	0,1500
FeO	0,0800	0,1700	3,500	0,0800
Fe2O3	0,6200	0,6200	0,320	0,3200
CaO	13,4900	13,2700	12,940	13,1600
MgO	25,2000	25,6000	23,600	25,4000
MnO	0,1000	0,1100	0,160	0,0900
P2O5	н/о	0,0110	н/о	0,0500
K2O	0,0600	0,1300	0,036	0,1500
Na2O	0,1300	0,1700	0,046	0,1800
Li2O	0,0024	0,0030	н/о	0,0008
Rb2O	0,0030	0,0090	н/о	0,0010
Cs2O	н/о	н/о	н/о	н/о
H2O	1,2800	1,4800	2,390	2,2200
F	0,5000	0,6300	0,100	0,7100
S	0,0400	0,0500	0,030	0,0400

 

 

Характеристики нефритов различной окраски были исследованы рентгеновским методом, съемка проводилась на дифрактометре ДРОН-1 с использованием медного излучения Cu-k_α c длиной волны λ = 1,54 Å. Режим съемки: напряжение на аноде U = 25 кВ (3 ступень), анодный ток I = 20 мА, скорость поворота счетчика 2 град/мин, скорость протяжки ленты на потенциометре 600 мм/ч, отчет поворота счетчика начинался с 2 градусов. Дифрактограмма нефритов различной окраски представлена на рисунке 1.

 

 

 

Рис. 1. Дифрактограммы нефритов различной окраски: 1 – желтый нефрит; 2 – зеленый нефрит;
3 – черный нефрит; 4 – белый нефрит

Fig. 1. Diffraction patterns of jades of different colors: 1 – yellow jade; 2 – green jade; 3 – black jade;
4 – white jade

 

Расшифровка о межплоскостных расстояниях и интенсивности главных линий представлена в таблице 2.

 

Таблица 2 Рентгенограммы образцов нефрита различной окраски

Table 2 X-ray diffraction patterns of jade samples of defferent colors

 

ASTM тремолит / ASTM tremolite		Черный нефрит / Black jade		Белый нефрит / White jade		Зеленый нефрит / Green jade		Желтый нефрит / Yellow jade
d/n	(I/I1)*100%	d/n	(I/I1)*100%	d/n	(I/I1)*100%	d/n	(I/I1)*100%	d/n	(I/I1)*100%
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
8,9800	16	8,588	100,0	10,230	45,0	9,0300	68	8,6700	72
8,3800	100	4,897	42,0	4,840	44,0	8,6700	69	6,8100	20
5,0700	16	4,494	47,0	4,510	41,0	4,8400	40	4,8968	40
4,8700	10	3,373	54,0	3,896	30,0	4,5700	46	4,5483	39
4,7600	20	3,290	64,0	3,370	47,5	4,3500	34	3,9139	30
4,5100	20	3,130	94,0	3,290	60,0	3,9100	31	3,3984	49
4,2000	35	2,950	49,0	3,120	62,0	3,3980	44	3,2995	58
3,8700	16	2,710	99,0	2,940	45,0	3,2995	54	3,1400	73
3,3760	40	2,540	71,0	2,710	100	3,1400	70	2,9600	55
3,2680	75	2,320	58,0	2,540	80	2,9600	49	2,9000	32
3,1210	100	2,310	57,0	2,340	54	2,7000	100	2,7150	100
3,0280	10	2,160	48,0	2,150	40	2,6000	65	2,6100	55
2,9380	40	2,020	40,0	2,010	36	2,2900	64	2,5980	56
2,8050	45	2,000	40,0	1,860	24	2,1600	55	2,5400	68
2,7300	16	1,870	35,0	1,680	29	2,0100	32	2,3300	63
2,7050	90	1,820	28,0	1,640	39	1,8600	31	2,3100	59
2,5920	30	1,680	33,0	1,570	34	1,6500	46	2,2200	30
2,4070	40	1,650	43,0	1,510	40	1,5800	29	2,1700	48
2,3800	8	1,620	41,0	1,440	39	1,5600	26	2,0800	35
2,3350	30	1,580	9,0	1,350	24	1,5100	36	1,9000	22
2,3210	40	1,440	4,9	1,330	26	1,4400	46	1,8600	23
2,2980	12	1,350	33,0	1,290	35	1,3600	34	1,7500	15
2,2730	16	1,330	34,0	1,190	19	1,3300	28	1,6900	28
2,2060	6	1,310	35,0	1,080	17	1,2900	32	1,6500	40
2,1800	6	1,300	41,0	1,040	22	1,2300	21	1,6200	31
2,1630	35	1,190	27,0	1,030	19	1,19500	26	1,5800	31
2,0242	18	1,130	28,0	0,980	21	1,1800	21	1,5100	46
2,0150	45	1,080	30,0	0,920	20	1,1300	19	1,4400	50
2,0020	16	1,050	34,0	0,910	18	1,0890	20	1,3600	25
1,9630	6	1,030	34,0	0,890	18	1,0760	24	1,3400	28
1,9290	6	1,020	29,0	–	–	1,0590	20	1,2900	43
1,8920	50	–	–	–	–	1,0480	27	1,2300	15
–	–	–	–	–	–	1,0250	25	1,2000	18
–	–	–	–	–	–	1,0150	22	1,1900	18
–	–	–	–	–	–	1,0080	20	1,1600	17
–	–	–	–	–	–	0,9890	20	1,1200	18
–	–	–	–	–	–	0,9800	25	1,1200	18
–	–	–	–	–	–	0,9700	23	1,0800	19
–	–	–	–	–	–	0,9500	20	1,0500	22
–	–	–	–	–	–	0,9300	20	0,9800	16
–	–	–	–	–	–	0,9200	20	0,9500	22
–	–	–	–	–	–	0,9000	21	0,9300	14
–	–	–	–	–	–	0,8900	21	0,9100	18
–	–	–	–	–	–	–	–	0,9000	15
–	–	–	–	–	–	–	–	0,8800	15
–	–	–	–	–	–	–	–	0,8700	15

 

 

Обсуждение и заключение

Исследования показали, что образцы по химическому составу относятся к тремолитам. Химический анализ черного нефрита показал, что за счет возрастания закисного железа и снижения доли магния отмечается переход к актинолиту. В пособии для высших учебных заведений предлагается относить к актинолитам только те амфиболы, в которых отношение 100 Mg: (Mg + Fe⁺² + Fe⁺³ + Mn) колеблется от 80 до 20. Исследованные минералы попадают в интервал 100–80 и относятся к тремолитам¹⁰. В образце черного нефрита также наблюдается понижение на один порядок содержания фтора. В остальном существенных отклонений в составах исследуемых образцов не отмечается.
Общей особенностью тремолитов является постоянное участие Al, состоящее в координации с Si. Незначительное снижение Al в исследуемой серии образцов имеет место и соответствует увеличению мольной доли актинолита, то есть не исключено, что Al, участвующий в качестве иона-компенсатора Si как главного компонента, мог оказывать регулирующее влияние на состояние кристаллической решетки. Иначе говоря, перераспределение элементов в исследуемых образцах происходит таким образом, что повышение мольной доли актинолита соответственно сопровождается снижением мольной доли тремолита. Рентгеновский метод исследования показал, что существенной разницы в дифрактограммах нефритов различной окраски не обнаружено.

Проведенные нами исследования открывают новые возможности по расширению общих понятий области создания здоровой среды, где все события связываются в единую логическую цепочку. Наши исследования простирались от создания технологий по изготовлению нагревательных и термоэлектрических элементов [18], конструкций нагревательных и термоэлектрических элементов [19; 20] и до физико-математического модулирования конструкции нагревательного прибора [21; 22]. Используя представленный материал, можно в данную логическую цепочку добавить исследования из области химии, биологии и медицины.

 

 

¹           Голубева Е. О., Швайко Е. С. Использование минералов в медицине древности // Фундаментальная наука в современной медицине 2016: материалы сателлитной дистанционной научно-практической конференции студентов и молодых ученых. М., 2016. С. 89–93.

²           Болдырев А. И. Инфракрасные спектры минералов. М.: Недра, 1976. 199 с. URL: https://search.rsl.ru/ru/record/01007736757 (дата обращения: 26.02.2020).

³           Балицкий В. С., Платонов А. Н., Таран М. Н. Природа окраски минералов. М.: Недра, 1984. 196 с. URL: http://www.geokniga.org/books/7233 (дата обращения: 26.02.2020).

⁴           Jouanna J. Greek Medicine from Hippocrates to Galen. Leiden: Koninklijke Brill, 2012. URL: https://www.jstor.org/stable/10.1163/j.ctt1w76vxr (дата обращения: 26.02.2020).

⁵           Yang Hu., Liu G., Tang Ch. The Origin of Jade in East Asia. Jades of the Xinglongwa Culture. Hong Kong: The Chinese University of Hong Kong, 2007. 323 p.

⁶           Валеев Р. Г. Камни лечат! Новеллы о драгоценных камнях. Киев: Радянський письменник, 1971. 191 с.

⁷           Журавлев В. А., Тондий Л. Д. Книга о клиническом санатории «РОЩА». Харьков: Слово, 2014. 260 с.

⁸           Смелый В. М. Нефрит. Обработка нефрита // Образование. Наука. Производство: сборник статей IX Международного молодежного форума. Белгород, 2017. С. 3423–3427.

⁹           Булах А. Г. Руководство и таблицы для расчета формул минералов. М.: Недра, 1967. 140 с.

¹⁰          Краснощекова Л. А. Породообразующие минералы и структуры кристаллических пород: учебное пособие. Изд. 3-е. Томск: Изд-во Томского политехнического ун-та, 2011. 83 с.

 

About the authors

Igor Yu. Shelekhov

National Research Irkutsk State Technical University

Author for correspondence.
Email: promteplo@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-7677-3187
ResearcherId: V-3045-2017

Associate Professor of Chair of Urban Construction and Economy of Institute of Architecture, Ph.D. (Engineering)

Russian Federation, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074

Tamara I. Shishelova

National Research Irkutsk State Technical University

Email: tamara.shishelova@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-2372-8144
ResearcherId: V-2981-2017

Professor of Chair of Physics,D.Sc. (Engineering)

Russian Federation, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074

Evgeniy I. Smirnov

National Research Irkutsk State Technical University

Email: jeka7.7.7@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-4999-7342
ResearcherId: V-3117-2017

Postgraduate Student of Chair of Engineering Communications and Life Support Systems of Institute of Architecture

Russian Federation, 83 Lermontov St., Irkutsk 664074

References

Supplementary files