Лаборатория фазовых превращений и диаграмм состояния вещества Земли при высоких давлениях (454)

 

Материально-техническая база и костяк коллектива сформированы в период 2013-2017 гг в рамках проекта Мегагрант, а также двух проектов РНФ. Организовал лабораторию д.г.-м.н. Литасов К.Д.

Решение о подаче заявки на создание текущей лаборатории было принято по рекомендации председателя СО РАН д.х.н. академика Пармона В.Н. в начале сентября 2018 г. Решение продиктовано тем, что лаборатория, созданная в рамках Мегагранта, была официально расформирована в 2017 г., при сохранении всей ее материально-технической базы и подготовленных молодых сотрудников.

2015.06.18. Первый эксперимент на многопуансонном прессе Discoverer.

Прессовый зал в конце 1970-х начале 1980-х

2000-тонный пресс Рязанского завода. Многопуансонный Аппарат ‘бочка’

Прессовый зал в 2013 году. Аппарат МЕГА-1 (сверху) и 2000 тонный пресс (снизу)

Демонтаж установки МЕГА-1 весом 63 тонны

2014.09.20.

2014.09.21. Установка пресса Discoverer.

2014.09.21. На фото профессор Отани заходит в прессовый зал.

2014.09.26. Константин Литаосов и инженер фирмы Рикен 2014.09.24-26

2014.09.26. Константин Литасов готовит тестовый эксперимент.

2015.01.12.

2016.04.16 Хмельников А.И.

2016.06. Литасов К.Д., Ращенок С.В., Чанышев А.Д., Отани Е., Каги Х., Зедгенизов Д.А., Минин Д., Шацкий А.Ф.

2016.06. Артем Чанышев и Константин Дмитриевич Литасов

2016.06.  Артем Чанышев

2016.06. Антон Шацкий

2016.06. Александр Ильич Хмельников

2016.06. Шацкий А.Ф.

В 2017 году разрешили привести в порядок вторую половину прессового зала, к. 102

2017.07.17 Даниил Минин, Александр Ильич Хмельников и Антон Арефьев

2017.07.17 Даниил Минин

 2017.07.17 Александр Ильич Хмельников и Антон Арефьев

2017.07.17 Артем Чанышев работает над статьей в Crystal Growth & Designe. Неделю назад приняли его статью в Scientific Reports

2017.08.01. Александр Ильич Хмельников за работой.

2017.08.01. Даниил Минин обрабатывает данные по системе Fe-Ni-P при 6 ГПа.

2017.08.01. Завершена основа балкона.

2017.08.21

2017.08.21. Иван Подбородников

2017.08.21. Наира Мартиросян работает над материалом диссертации по реакциям железа и карбонатов

2017.08.30

2017.08.30. Большую часть дорогостоящего ремонта, организованного за счет средств Мегагранта, пришлось переделывать, включая замену больших окон на окна с дверями, замену сантехники и труб, осветительных приборов и электрики.

2017.08.30. Иван Бажан

2019.09.15. Арефьев А.В., Минин Д.А., Хмельников А.И.

2019.09.15. Арефьев А.В., Минин Д.А., Хмельников А.И.

2019.09.15. Шацкий А.Ф.

2018.01.16.

К январю 2018 года был завершен ремонт второй половины прессового зала.

 

 

Свернуть  

 

Тематика лаборатории состоит в изучение фазовых диаграмм состояния вещества Земли и планет при высоких давлениях и температурах. Исследования сфокусированы на фазовых диаграммах силикатных систем с летучими компонентами (С-О-Н) и металлических систем с легкими элементами (H, С, N, S, P). Исследования проводятся экспериментально и теоретически. Для проведения экспериментальных исследований используются аппараты высокого давления (цилиндр-поршень, многопуансонный пресс, алмазные наковальни) и высокотемпературные печи. Проведение теоретических, квантовохимических, расчетов реализуется с использованием программных пакетов VASP и Quantum Espresso, поиск новых кристаллических структур – при помощи программ AIRSS и USPEX.

 

Свернуть  

 

 

 

1. Расчёты энергии основного состояния и электронной структуры проводятся в рамках теории функционала плотности, с использованием базиса плоских волн и PAW формализма. В качестве программного пакета используется VASP 5.3 (https://www.vasp.at/).
2. Поиск кристаллических структур на основе эволюционных алгоритмов, программный пакет USPEX (https://uspex-team.org/en), и на основе метода случайного поиска, программный пакет AIRSS (www.mtg.msm.cam.ac.uk/Codes/AIRSS).
3. Для учета температурного эффекта используется метод решеточной динамики в рамках квазигармонического приближения, реализованный в программном пакете PHONOPY (https://atztogo.github.io/phonopy/) и метод первопринципной молеулярной динамики, программный пакет VASP 5.3.

Для проведения перечисленных расчётов сотрудники лаборатории имеют доступ к ресурсам суперкомпьютерных центров:

1. Информационного Вычислительного Центра Новосибирского Государственного Университета (http://nusc.nsu.ru/wiki/doku.php). Комплекс занял 18 место в 9-й редакции рейтинга TOP 50 суперкомпьютеров СНГ. Пиковая производительность вычислительного комплекса составляла 5447.7 Гфлопс.
2. Сибирского Суперкомпьютерного центра (http://www.sscc.icmmg.nsc.ru/main.html), Новосибирск. На текущий момент оборудование, к которому имеется доступ, состоит из: 1) гетерогенного кластера НКС-30Т, суммарная пиковая производительность – 115 Тфлопс); 2) вычислительного узла с общей памятью SMP-G7 и пиковой производительностью – 768 Гфлопс).

Национального Суперкомпьютерного центра в Университете Линчопинга (https://www.nsc.liu.se/), Швеция, входящего в список "ТОП-500 суперкомпьютер мира".

Современные техники компьютерного моделирования вещества https://www.nas.nasa.gov/SC14/demos/demo26.html#prettyPhoto

Возможности расчетов теории функционала плотности (Kharissova et al., 2020)

Подготовка образцов

 

Слева – длиннофокусный бинокулярный микроскоп для сборки алмазных ячеек. Высокое разрешение и точная фокусировка в очень широком диапазоне увеличений позволяет производить под этим микроскопом весь цикл сборки DAC не перемещая их. Справа бинокулярные микроскопы для сборки ячеек высокого давления и изучения и фотографирования образцов после экспериментов.

 

На левом фото Микроскоп "Stemi 2000-C. На правом фото микроскопы для работы в проходящем и отраженном свете. Микроскоп "Микромед Полар" (слева) и микроскоп "Nikon EclipseLV100N" поляризационный (справа).

 

Вакуумные диссекторы из поликарбоната (слева). Вакуумный шкаф и сухой шкаф (справа). Используются для хранения реактивов, стартовых смесей и экспериментальных образцов.

 

Слева – весы для приготовления навесок стартовых смесей. GX-1000 (left). Max 1100 g, min 0.1 g, e = 0.01 g, d = 0.001 g. GH-200 (right). Max 200 g, min 10 mg, e = 1 mg, d = 0.1 mg. Справа – ультразвуковые ванночки с нагревом и без для промывки образцов и деталей ячеек.

Аппарат PUK U4 для герметизации металлических капсул с образцами дуговой сваркой. Аппарат укомплектован автоматической подачей азота в момент сварки и микроскопом с фильтром, чтоб не слепило глаза. Фильтр также включается только в момент сварки.

 

Сушильный шкаф с принудительной циркуляцией воздуха (до 250 °С) (слева) и вакуумный сушильный шкаф (200 °С) (справа) используются для сушки и хранения стартовых смесей и ячеек высокого давления.

 

Слева – весы для приготовления навесок стартовых смесей. GX-1000 (left). Max 1100 g, min 0.1 g, e = 0.01 g, d = 0.001 g. GH-200 (right). Max 200 g, min 10 mg, e = 1 mg, d = 0.1 mg. Справа – ультразвуковые ванночки с нагревом и без для промывки образцов и деталей ячеек.

 

Аппарат PUK U4 для герметизации металлических капсул с образцами дуговой сваркой. Аппарат укомплектован автоматической подачей азота в момент сварки и микроскопом с фильтром, чтоб не слепило глаза. Фильтр также включается только в момент сварки.

Сушильный шкаф с принудительной циркуляцией воздуха (до 250 °С) (слева) и вакуумный сушильный шкаф (200 °С) (справа) используются для сушки и хранения стартовых смесей и ячеек высокого давления.

 

 

Свернуть  

 

2020 год

 

 

2021 год

 

 

2022 год

 

 

2023 год

 

 

2024 год

 

 

 

Свернуть  

 

Оборудование

Многопуансонный пресс Discoverer с номинальным усилием 1500 тонн для проведения экспериментов при давлениях от 3 до 30 ГПа и температурах до 1800-2200 °С.

Пресс оснащен нажимными плитами типа DIA с четырьмя слайдблоками (слева) сжимающими внутреннюю ступень кубических пуансонов из карбида вольфрама с октаэдрической ячейкой высокого давления (справа).

 

На фотографиях внутренний блок пуансонов из карбида вольфрама с ячейкой высокого давления в центре. Каждый пуансон имеет треугольное усечение (рабочую площадку) с торцов которого размещены деформируемые уплотнения из технического пирофиллита.

Ячейки высокого давления (a) изготавливают и тугоплавкой керамики на основе оксида циркония легированного CaO. В ячейках в зависимости от их размера размещают от одного до 16 образцов одновременно. Образцы размещают в графитовых, керамических или платиновых капсулах. Нагрев осуществляют с использованием трубчатого нагревателя сопротивления из графита или хромита лантана. Нагрев в ходе эксперимента контролируют автоматически с использованием термопарного датчика (W/Re3/25). Распределения температуры внутри ячейки приведено на картинке (b).

 

На фото слева детали ячейки высокого давления и собранная ячейка. На фото справа автоматическая система управления нагревом с непрерывным контролем температуры по термопаре. 

Аппарат цилиндр-поршень. Аппарат представляет собой одноосный пресс с двумя гидроцилиндрами. End-load: Ø140 mm, main: Ø 135 mm, 135 MPa to the end-load pump corresponds to~2078 kN. Нагнетание давления масла в гидросистеме осуществляется двумя ручными помпами. Аппарат оснащен камерами ½ и ¾ дюйма. Аппарат укомплектован автоматической системой нагрева по термопаре и системой охлаждения замкнутого типа (Lauda). Все оборудование запитано от источника бесперебойного питания и подключено к АВР автоматически переключающего питание на резервную  подстанцию в случае прекращения работы основанной подстанции.

 

Алмазные наковальни (DAC – diamond anvil cell) в собранном виде. Данные наковальни рассчитаны на генерацию давлений до 70 ГПа. Слева – DAC, изготовленные Almax-EasyLab, справа – DAC, изготовленные Syntek.

 

Те же наковальни в открытом виде.

Слева – вертикальная трубчатая печь с продувкой газовой смесью контролируемого состава (производство Nabertherm, Германия) для проведения экспериментов и синтеза веществ в контролируемых окислительно-восстановительных условиях при ≤ 1800 °С (пока на стадии доукомплектации газовым оборудованием).

Справа – атмосферная печь производства Thermoceramics с нагревательными элементами из хромита лантана, предназначена для нагрева до 1600 °С. Печь используется синтеза стартовых веществ и проведения экспериментов в запаянных кварцевых ампулах.

Станки

Плоскошлифовальный станок Okamoto ACC52DX. Предназначен для шлифовки деталей из карбида вольфрама, керамики, а также используется для приготовления плоскопараллельных пластинок и шлифов мантийных пород и метеоритов.

 

Токарные станки для работы с керамикой и графитом (слева) и для металлообработки (справа).

 

Сверлильные станки настольные и напольные.

 

Фрезерные станки.

 

Высокоскоростные отрезные станки для резки пород и талька с толщиной пила 4 мм (слева) и для резки распорных вкладышей из бальзового дерева (справа).

 

Ультразвуковой сверлильный станок для изготовления образцов цилиндрической формы из монокристаллов и пород.

Фрезерные станки с ЧПУ (Roland MDX-40a) для вытачивания керамических деталей ячеек высокого давления.

 

Низкоскоростные отрезные алмазные пилы. Слева Struers, справа Buehler. Используются при изготовлении керамических деталей ячеек и для распиливания образцов. Толщина дисковых алмазных пил 150 и 300 мкм.

Ниточная пила с ЧПУ. Позволяет распиливать керамические заготовки на пластины с точностью в пределах 100 мкм. Толщина пила 300 мкм ниткой с алмазным напылением. Позволяет распиливать заготовки с сечением 110 мм. Процесс осуществляется в автоматическим режиме.

 

Свернуть  

 

Педагогическая деятельность д.г.-м.н. Е.Ф. Летниковой и к.г-м.н. А.В. Дарьина связана с руководством кандидатских диссертаций, а также курсовых и дипломных работ студентов НГУ.

За последние 5 лет под руководством сотрудников лаборатории защищено: 2 кандидатских диссертации, 5 бакалаврских и 2 магистерских диплома.

Свернуть  

 

----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

 

Свернуть  

 

2020 год

 

 

2021 год

 

 

2022 год

 

 

2023 год

 

 

2024 год

 

 

Свернуть  

 

Базовый проект фундаментальных исследований

• Шифр ГЗ – FWZN-2026-0014. «Концепция формирования месторождений алмазов Сибирской Арктики: связь характера эволюции литосферной мантии с процессами образования алмазов и алмазоносных кимберлитов; формирование и свойства импактных алмазов и новых функциональных материалов», руководитель Похиленко Николай Петрович 

 

Гранты Российского научного фонда

• РНФ№ 23-73-10114; Номер Гос. учета – 123092600043-4. «Дикарбонатные, ортооксалатные, ортокарбонатные фазы нестандартной стехиометрии s- и p-элементов», руководитель Сагатова Динара
• РНФ№ 22-23-00925; Номер Гос. учета – 122080300173-9. «Кристаллохимия продуктов реакции карбонатов Mg, Ca, Sr, Ba, Pb, Fe, Ni, Mn и диоксида углерода при экстремальных условиях», руководитель Гаврюшкин Павел Николаевич

 

 

Свернуть  

 

2023 год

 

1. Bekker T.B., Ryadun A.A., Davydov A.V., Rashchenko S.V. LiBa12(BO3)7F4 (LBBF) crystals doped with Eu3+,Tb3+, Ce3+: structure and luminescence properties // Dalton Trans., 2023, 52, 8402. DOI: 10.1039/d3dt01279d
2. Bekker T.B., Ryadun A.A., Rashchenko S.V., Davydov A.V., Baykalova E.B., Solntsev V.P. A Photoluminescence Study of Eu3+ , Tb3+, Ce3+ Emission in Doped Crystals of Strontium-Barium Fluoride Borate Solid Solution Ba4−xSr3+x(BO3)4−yF2+3y (BSBF)// Materials 2023, 16, 5344. DOI: 10.3390/ma16155344
3. Davydov A.V., Vinogradova Yu.G., Sagatov N., Bekker T.B. Ba4B11O20F: GROWTH OF CRYSTALS AND THEIR STABILITY UNDER HIGH PRESSURES // Journal of Structural Chemistry, 2023, Vol. 64, No. 5, pp. 932-941. . DOI: 10.1134/S0022476623050116
4. Gavryushkin P. N., Sagatov N.E., Sagatova D.N., Bekhtenova A., Banaev M. V., Alexandrov E. V., Litasov K. D. First Finding of High-Pressure Modifications of Na2CO3 and K2CO3 with sp3-Hybridized Carbon Atoms // Crystal Growth & Design 2023 23 (9), 6589-6596. DOI: 10.1021/acs.cgd.3c00507
5. Inerbaev T., Abuova A., Dauletbekova A., Kawazoe Y., Umetsu R. Disordering in Fe3Ga alloy of D03 structure: Effect on stability and magnetostriction // Computational Materials Science – 2023 – Volume 216, 111878. DOI: 10.1016/j.commatsci.2022.111878
6. Inerbaev T.M., Han Y., Bekker T.B., Kilin D.S. Photoluminescence in Cerium-Doped Fluoride Borate Crystals // J. Phys. Chem. C 2023, 127, 19, 9213–9224. DOI: 10.1021/acs.jpcc.2c08711
7. Mikhno A.O., Vinogradova Yu.G., Rashchenko S.V., Korsakov A.V. Methane in Carbonate Melt Inclusions in the Rock-Forming Minerals of Calc-Silicate Rocks of the Kokchetav Massif // Doklady Earth Sciences – 2023 - 2volume – 508 – pages 6–11 . DOI: 10.1134/S1028334X22601882
8. Rashchenko S.V., Davydov A., Sagatov N.E., Podborodnikov I.V., Arkhipov S.G., Romanenko A.V., Bekker T.B. Symmetry control of cation substitution in ‘antizeolite’ borates // Materials Research Bulletin Volume 167, November 2023, 112398. DOI: 10.1016/j.materresbull.2023.112398
9. Sagatov N.E., Bekker T.B., Vinogradova Y.G., Davydov A.V., Podborodnikov I.V., Litasov K.D. Experimental and ab initio study of Ba2Na3(B3O6)2F stability in the pressure range of 0–10 GPa // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials Volume 30, Number 9, September 2023, Page 1846. DOI: 10.1007/s12613-023-2647-0
10. Sagatov N.E., Sagatova D.N., Gavryushkin P.N., Litasov K.D. New High-Pressure Structures of Transition Metal Carbonates with O3C–CO3 Orthooxalate Groups // Symmetry – 2023 – 15 (2) – 421. . DOI: 10.3390/sym15020421 
11. Sagatova D. N., Sagatov N.E., Gavryushkin P. N., Solodovnikov S. F. Phase relations, thermal conductivity and elastic properties of ZrO2 and HfO2 polymorphs at high pressures and temperatures // Phys. Chem. Chem. Phys., 2023, 25, 33013. DOI: 10.1039/D3CP04690G
12. Sagatova D.N., Gavryushkin P.N., Sagatov N.E., Banaev M.V. Crystal structures and P–T phase diagrams of SrC2O5 and BaC2O5 // J Comput Chem. 2023;1–8. DOI: 10.1002/jcc.27210
13. Sukhanova E.V., Sagatov N., Oreshonkov A.S., Gavryushkin P.N., Popov Z.I. Novel Janus 2D structures of XMoY (X, Y = O, S, Se, Te) composition for solar hydrogen production // International Journal of Hydrogen Energy – 2023 – Volume 48, Issue 38, 1 May 2023, Pages 14226-14237. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2022.12.286
14. Sukhanova E.V., Sagatov N.E., Oreshonkov A.S., Gavryushkin P.N., Popov Z.I. Halogen-Doped Chevrel Phase Janus Monolayers for Photocatalytic Water Splitting // Nanomaterials 2023, 13, 368. DOI: 10.3390/nano13020368

 

2024 год

 

1. Banaev M.V., Sagatova D.N., Sagatov N.E., Gavryushkin P.N. Pb2[C2O6]-P3%m1: new insights into the high-pressure behavior of carbonates // Phys. Chem. Chem. Phys., 2024, 26, 13070. DOI: 10.1039/d4cp00395k
2. Bekker T.B., Davydov A.V., Ryadun A.A., Yelisseyev A.P., Solntsev V.P., Fedorenko A.D. Examining the contribution of Cu and Sr codoping on luminescence properties of borate crystals//Optical Materials, Volume 158, 2025, 116465. DOI: 10.1016/j.optmat.2024.116465
3. Bekker T.B., Khamoyan A.G., Davydov, A.V., Vedenyapin, V.N., Yelisseyev, A.P., Vishnevskiy A.V. NaBa12(BO3)7F4 (NBBF) dichroic crystals: optical properties and dielectric permittivity // Dalton Trans.,2024,volume 53, 12215-12222. DOI: 10.1039/D4DT01380H
4. Gavryushkin P.N., Rečnik A., Donskikh K.G., Banaev M.V., Sagatov N.E., Rashchenko S., Volkov S., Aksenov S., Mikhailenko D., Korsakov A., Daneu N., Litasov K.D. The intrinsic twinning and enigmatic twisting of aragonite crystals // Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 121 (6) e2311738121. DOI: 10.1073/pnas.2311738121
5. Kuznetsov A.B., Kokh K.A., Gorelova L.A., Sofich D.O., Sagatov N., Gavryushkin P.N., Vereshchagin O.S., Bocharov V.N., Shevchenko V.S., Kokh A.E. Growth, crystal structure and IR luminescence of KSrY1–xErx(BO3)2 // Acta Cryst. 2024 – B80. DOI: 10.1107/S205252062400177X
6. Mezentseva A.V., Sagatov N.E., Gavryushkin P.N., Sagatova D.N. New structures of Rb2O and Cs2O stable at high pressures // Computational Materials Science, Volume 247, 113517. DOI: 10.1016/j.commatsci.2024.113517
7. Rashchenko S.V., Bekker T.B., Davydov A.V., Goldenberg B.G. Ba-Sr fluoride borates as inorganic radiochromic materials // Radiation Measurements, 2025, Volume 181, 107352. DOI: 10.1016/j.radmeas.2024.107352
8. Rashchenko S.V., Ignatov M.A., Shatskiy A.F., Arefiev A.V., Litasov K.D. Coupling between cation and anion disorder in β-K2Ca3(CO3)4 // J. Appl. Cryst. (2024). 57, 665–669. DOI: 10.1107/S1600576724002292
9. Sagatov N.E., Gavryushkin P.N., Bekker T.B. Dynamic Disorder of [BO3] Groups in the LiBa12(BO3)7F4 and NaBa12(BO3)7F4 Crystals // The Journal of Physical Chemistry C, Vol 128, Issue 41, 2024. DOI: 10.1021/acs.jpcc.4c04835
10. Sagatov N.E., Omarkhan A.S., Bazarbek A.B. , Akilbekov A.T., Sagatova D.N. Structure searching and phase relationships in MnN up to 50 GPa: a DFT study // Physical Chemistry Chemical Physics, 2024. DOI: 10.1039/d4cp03588g
11. Sagatova D.N., Sagatov N.E., Banaev M.V., Gavryushkin P.N. P − T phase diagram of Na2C2)5 at pressures up to 100 GPa // Solid State Communications, Volume 397, 115764. DOI: 10.1016/j.ssc.2024.115764
12. Sagatova D.N., Sagatov N.E., Banaev M.V., Gavryushkin P.N. P − T phase diagram of Na2C2)5 at pressures up to 100 GPa // Solid State Communications, Volume 397, 2025, 115764. DOI: 10.1016/j.ssc.2024.115764
13. Sagatova D.N., Sagatov N.E., Gavryushkin P.N. Searching for Stable Beryllium Carbonates in the BeO−CO2 System // The Journal of Physical Chemistry C, 2024. DOI: 10.1021/acs.jpcc.4c06395
14. Sagatova D.N., Sagatov N.E., Gavryushkin P.N. Thermodynamic stability of Li-pyrocarbonate at atmospheric and high pressures // Inorganic Chemistry Communications, Volume 167, 112808. DOI: 10.1016/j.inoche.2024.112808
15. Sagatova D.N., Sagatov N.E., Gavryushkin P.N., Solodovnikov S.F. DFT calculations of the stability field and properties of a predicted lanthanum–scandium–aluminum garnet La3Sc2Al3O12 and P–T phase diagram of Y3Sc2Al3O12 // Computational Materials Science, Volume 243, 2024, 113124, DOI: 10.1016/j.commatsci.2024.113124
16. Беккер Т.Б., Давыдов A.В., Сагатов Н.Е. Функциональные бораты и их высокобарические полиморфные модификации. Обзор // Конденсированные среды и межфазные границы. 2024; 26(4): 620–632. DOI: 10.17308/kcmf.2024.26/12384

 

Свернуть