MNMKK - Magyar Természettudományi Múzeum Blog

Múzeumunk kiállítóterének föld alatti kupolacsarnoka 2023/24 telén egy korcsolyapályának adott otthont. Ez kiváló alkalmat nyújtott arra, hogy az MTM Facebook-oldalán az alkalomhoz illő természetrajzi témák kapcsán hívjuk fel a látogatók figyelmét erre a páratlan korcsolyás múzeumlátogatási lehetőségre. Bár a tavasz a (mű)jeget eltüntette múzeumunkból, de újra itt vannak az őszi fagyok, így a könnyed hangvételű Facebook-posztokat – hogy azok ne tűnjenek el oly gyorsan – itt-ott kiegészítve blogbejegyzéssé alakítottuk át. Kellemes időtöltést kívánunk, most nem korcsolyával a lábon, hanem (mondjuk) laptoppal a kézben.

Szerző: Papp Gábor (Ásvány- és Kőzettár)

 Az asahikawai Hókristálymúzeum egy részlete (forrás: https://www.snowtomamu.jp/nwl/en/snow/snow_entertainment/snow_crystal_museum.html)

 Mit keres a jég a múzeumban?

Öntsünk rögtön tiszta vizet a pohárba: múzeumunk korcsolyapályája természetesen nem jégből, hanem egy ahhoz csúszósságában megtévesztésig hasonló műanyagból volt. De – talán meglepő módon – a jég teljes joggal bekerülhetne a múzeumba, hiszen az MTM gyűjtőkörébe sorolható. A jég tudniillik, amint az egyetemi tankönyvből és a legjobb online ásványtani adatbázisból kifényképezett részletek is tanúsítják, egy ásvány. A hivatalos meghatározás szerint ugyanis „az ásvány olyan, földtani folyamatok eredményeként keletkezett elem vagy vegyület, amely normál körülmények között kristályos”. A jég, amennyiben a fagyot „normál körülménynek” tekintjük – és nálunk télen, a sarkokon pedig akár nyáron is az –, a definíció minden elemének eleget tesz. Viszont abból az is kiolvasható, hogy bármilyen eredetű jég nem tekinthető ásványnak. A Balaton jege ásvány, de ha – szó szerint – tiszta vizet öntünk egy pohárba és betesszük a fagyasztóba, ahol jéggé dermed, ez a jég már nem ásvány, hanem „csak” annak mesterséges változata (mint ahogy a laboratóriumban kikristályosított rézgálic vagy a sófőzőkben előállított só sem ásvány). E szőrszálhasogatásnak tűnő példa talán rávilágít arra, mennyire nem egyszerű az illetékes nemzetközi bizottság dolga, amikor döntenie kell például egy égő meddőhányón vagy a tengerbe kiszórt ókori kohósalakon kimutatott új anyagok ásványfajként történő elismeréséről vagy el nem ismeréséről.

A jég az egyetemi Ásványtan tankönyv (a „Koch–Sztrókay”) rendszertani részében

A jég weblapjának részlete a Mindat ásványtani portálon. Amint a feliratban olvasható, a jég a Nemzetközi Ásványtani Társaság által elfogadott, régóta ismert ásványfaj.

A vizet egyébként – a szintén folyékony higannyal ellentétben – manapság nem tekintik ásványnak. Amint azt a Szabó József 1893-ban megjelent Ásványtanából való részlet bizonyítja, régebben ez nem így volt, e tankönyvben a víz szerepelt az ásványfajok közt, a jég csak a fajnév szinonimalistáján szerénykedett. A képen az a sajátos ellentmondás is látható, hogy a vizet e tankönyv a víz nélküli R₂O típusú oxidok közé sorolta be – ami formailag igaz, hiszen összetétele H₂O (tehát R = H) – és ezen felül valóban nincs benne további H₂O.

A jég (pontosabban a víz) Szabó József 1893-ban megjelent Ásványtanának rendszertani részében

Hull a pelyhes fehér hó – mineralógiai verselemzés

Most, hogy olvasóink – ha még nem tudtak volna róla – megtudhatták, hogy a jég is ásvány, ideje, hogy a hóval is foglalkozzunk. „Hull a pelyhes fehér hó” – így a közkedvelt dalocska, de hogyan is lehetne ezt ásványtanilag szabatosan megfogalmazni? Valahogy így: „A levegőből a jég színtelen vázkristályokból álló néhány milliméteres aggregátumai ülepednek le.” Ez persze elég prózaiul hangzik, bár egy modern zeneszerző talán megfelelő dallamot is tudna komponálni hozzá. Elemezzük egy kicsit alaposabban az eredetit az ásványtanilag átköltött változat fényében.

„Hull …” – A jég ásvány, ebből következően a hó, amely egyedi jégkristályok halmaza, voltaképpen egy monomineralikus (egyásványos) felépítésű laza üledékes kőzet, amely ugyanúgy a levegőből ülepedik le, mint például a lösz, azzal a különbséggel, hogy a kőzetet alkotó ásványok – a hókristályok – ott is keletkeznek. (Közbevetőleg egy kis tudományos érdekesség: régen a meteoritokról is azt hitték, hogy a levegőben keletkeznek, innen is a nevük, amely nem véletlenül hasonlít a meteorológiához. Ógörögül a meteóra szó egyik jelentése ugyanis ’égi jelenségek’.) A laza üledékből aztán – megfelelő környezeti feltételek esetén, tehát a sarkvidékeken és a magashegységi gleccserekben tömör kőzet képződik, ahogy a homokból homokkő, a hóból jég lesz. 

 Wilson Bentley (1885–1931), az első hókristályfotós. (Forrás: https://www.jerichohistoricalsociety.org/snowflake-bentley.html)

„… a pelyhes …” – A hókristályok alakját – a kristálymorfológiát – 1885 óta vizsgálják mikrofotók segítségével. Az idők folyamán különböző osztályozási rendszereket is kidolgoztak, és megállapították, hogy melyik kristályforma milyen hőmérsékleti és légnedvességi viszonyokra jellemző. Ennek úttörője Ukichiro Nakaya (1900–1961) japán tudós – a világ talán egyetlen hó- és jégmúzeumának névadója – volt. Múzeuma Kagában, a tudós szülővárosában tekinthető meg, de aki a szakmai körítést nélkülöző látványosságra vágyik, inkább a bevezető képen is látható asahikawai Hókristálymúzeumot nézze meg, mert hogy Japánban ilyen is van (bár jelenleg zárva – tán a globális felmelegedés miatt?). A mineralógusok régóta tudják, hogy a kristályok alakja – ásványfajonként eltérő mértékben – az ásvány keletkezési körülményeinek függvénye, és nincs ez másként a hó esetében sem. A hó akkor pelyhes, amikor a lefelé hulló kristályegyedek összetapadnak, és ez olyankor a legkönnyebb, amikor a sok-sok rajzról ismert ágas-bogas (szakszóval dendrites) hókristályok képződnek. Egy megjegyzés: Számos amatőr és profi rajzoló megfeledkezik arról, hogy a jég kristályszerkezetéből fakadóan a dendrites hókristályokon a fő- és mellékágak mindig 60 fokot zárnak be egymással, tehát a hókristály hat- (ritkán tizenkét), nem pedig négy-, öt- vagy nyolcágú. E hatágú csillagok úgynevezett vázkristályok, rajtuk a kristályokra jellemző sima lapok nem tudtak kifejlődni, csak a kristályélek, illetve csúcsok. Ilyen vázkristályok a kristályosodó anyagra nézve erősen túltelített rendszerekben hirtelen (gyorsan lejátszódó és idő előtt megszakadó) növekedés során keletkeznek. A kristályt felépítő anyagoknak ilyenkor nincs idejük mindenhol egyenletesen a szerkezetbe belépni, és mivel az anyagutánpótlás érthetően az élek és különösen a csúcsok irányából a leggyorsabb, azok növekednek a leggyorsabban. A hó esetében az erős túltelítéshez (bizonyos hőmérsékleti feltételek mellett) nagy páratartalom szükségeltetik, a kristályosodási folyamat megszakadásához pedig gyors lehullás.

Bentley hókristályalaktani művének egy lapja (forrás: Wikimedia)

A kagai Ukichiro Nakaya Hó- és Jégmúzeum egy részlete (forrás: https://www.japan-experience.com/discover/kanazawa/museums-galleries/snow-ice-museum-nakaya-ukichiro)

Kollázs Wilson Bentley hókristály-felvételeiből (forrás: https://www.vermontpublic.org/vpr-news/2015-02-11/celebrating-snowflake-bentley-in-pictures)

A hókristályok alakja a relatív páratartalom (függőleges tengely) és a hőmérséklet (vízszintes tengely) függvényében (forrás: http://www.snowcrystals.com/morphology/SnowflakeMorphology2med.jpg)

„… fehér hó” – Fehér hó úgy lesz a színtelen jégből, hogy egy jégkockával ellentétben szemünkbe nem a rajta áteső szóratlan, hanem a róla (az egyes kristályokról) visszaverődő szórt fénysugarak érkeznek, és a fényelnyelés mértéke mind a visszavert, mind az áteső sugarak esetében a hullámhossztól független. Egy buborékokban gazdag jégkockát is fehérnek látunk, mert nem tudunk átlátni rajta, és a visszaszórt fény jut róla a szemünkbe. Ásványtani analógiával élve, amíg a hegyikristály színtelen, addig a telérkvarc a sok – fluidumzárványt tartalmazó – buborék miatt fehér.

Balra: forralt vízből készített buborékmentes, illetve forralatlan vízből készített buborékos jégkocka, jobbra: A csúcsai felé zárványmentes, színtelen, máshol sűrű fluidumzárványoktól fehér színű kvarc.

A jég, mint a kristályok keresztapja

Az előbbi részben taglalt szállingózó hópihéket szemlélve vajmi kevesen gondolunk arra, hogy apró kristályokban gyönyörködünk. Azt pedig még kevesebben tudják, hogy amint a hókristály ténylegesen, maga a kristály szó is – átvitt értelemben – „a jégből van”. A ma már csak a választékos fogalmazásban használt régies kijegecesedett – azaz kikristályosodott –kifejezésből már sejthető ez a „keresztapaság”, amelynek  eredete az ókorra nyúlik vissza. Egyes antik szerzők ugyanis az Alpokból származó színtelen víztiszta kvarcot a jég – a magas hegyek hidegében keletkezett – különleges fajtájának tartották. A krüsztallosz egyszerűen jeget jelent ógörögül  – ezért is magyarították „jegec”-re a kristályt eleink a 19. században. Később a (hegyi)kristályhoz hasonló, sík lapokkal határolt ásványokat már mind kristálynak nevezték, emiatt lett a korábban egyszerűen kristálynak nevezett ásvány neve már hegyikristály. A kristály mai tudományos meghatározása már nem a külsőségeket ragadja meg, hanem a mögöttük rejtőző lényeget: olyan szilárd anyag, amelynek alkotói (atomok, ionok, molekulák) a tér minden irányában szabályosan ismétlődő minta szerint helyezkednek el.

Kvarckristálycsoport, ahogy a XVII. században látták (kép Anselmus de Boodt egyik művéből)

Alpi hegyikristályok az MTM ásványtani állandó kiállításán

Hegyikristály töredéke az MTM ásványtani állandó kiállításának bevezető részén – bár nem látszik rajta, de szintén kristály.

A hegyikristályt az ókor óta faragják és csiszolják. Az ékszerek mellett sokféle luxustárgy készült belőle: evőeszköz, ivóedény, ereklyetartó és még számtalan különféle dísztárgy, így a kristálycsillárok is régen valódi (hegyi)kristályból voltak. A későbbi tömeggyártás viszont már az ólomtartalom miatt nagyobb törésmutatójú – ezért jobban csillogó – speciális üvegre, kereskedelmi nevén ólomkristályra alapult és alapul ma is. A manapság gyakran valamely márkanévvel kiegészítve árusított „kristályok” (Ajka kristály, Swarovski kristály) tehát nem kristályok a szó valódi értelmében, hiszen az üveg nem rendezett szerkezetű anyag, amint azt például bizonyos optikai sajátságai vagy a határozott olvadáspont hiánya is elárulja.

„Ajka kristály” az MTM ásványtani állandó kiállításának bevezető részén

Valódi, mű és utánzat a korcsolyapályán, illetve a drágakő-kiállításban

Képzeletben visszatérve a korcsolyázáshoz, elmélkedjünk egy kicsit a korcsolyapályákra és az ékkövek anyagára egyaránt érvényes elveken. Nos, a korcsolyapályának jól kell csúsznia, a felszínének elég strapabírónak kell lennie – a jég ideális erre. Az ékköveknek szépnek és ritkának kell lenniük, és még inkább strapabíróknak (hiszen nem lehet oly könnyen felújítani a felületüket, mint a jégét) – a drágakőásványok ideálisak erre. Ha nincs elég hideg – mint manapság általában – a természetes helyett mesterséges, azaz műjeget kell előállítani drága pénzért. A legtöbb drágakőknek is van már mesterséges megfelelője, ez viszont olcsóbb a valódinál, de ezt például nem műzafírnak vagy műrubinnak, hanem mesterséges – vagy idegen szóval szintetikus – zafírnak vagy rubinnak hívják. A szintetikus kövek anyagukban gyakorlatilag teljesen azonosak a természetes eredetűekkel. Nemcsak az ékszerészet, hanem az ipar is egyre szélesebb körben alkalmazza őket, az említetteket régen az órák csapágyazására használták, de ma is van – sőt egyre inkább bővül – felhasználási területük. Visszatérve a korcsolyapályához, ha a műjég sem használható, itt vannak a műanyag utánzatok, mint a mi múzeumi pályánk is. Az utánzat, mint a szó is elárulja, fizikailag és kémiailag nem azonos a valódi anyaggal, hanem annak valamely tulajdonságát utánozza, jelen esetben a csúszósságot. Persze a drágaköveknek is vannak utánzataik, amelyek a valódi drágakő külső tulajdonságait – színét, mintázatát, fénytörését – utánozzák. Korcsolyapályánk, mint a bevezetőben írtuk, már bezárt, de ásványtani állandó kiállításunkon érdemes megtekinteni valódi drágaköveinket, valamint mesterséges megfelelőiket és utánzataikat.

Mesterséges kvarc az MTM ásványtani állandó kiállításának bevezető részén.

Mesterséges korundok az MTM ásványtani állandó kiállításának bevezető részén

Mesterséges drágakövek az MTM ásványtani állandó kiállításán

Balra: cirkónium-dioxid anyagú gyémántutánzatból készült, különböző méretű briliánsok és az eredeti karát (szentjánoskenyérfa mag), jobbra: a Cullinan I gyémánt ugyanilyen anyagú utánzata az MTM ásványtani állandó kiállításán a drágakő-kiállítás bevezető részén

Mesterséges drágakövek (sz) és utánzatok (u) az MTM ásványtani állandó kiállításán a drágakő-kiállítás bevezető részén

Csúszósík, avagy siklás a végtelenbe

Egy szilveszteri Facebook-bejegyzésünkkel zárjuk a 2023/24-es múzeumi korcsolyapályánkhoz kapcsolódó blogcikkünket. E rész vendégszerkesztője a kristálytani Móricka, akinek, mint tudjuk, mindenről AZ jut eszébe, tudniillik a krisztallográfia. Hogy mi jut eszébe egy kristálytanásznak egy sima, csúszós korcsolyapályáról? Természetesen egy kristálytani fogalom, a csúszósík. Amíg a közönséges tükörsík mindenki által ismert, hiszen külsőleg nagyjából mi emberek is tükörszimmetrikusak vagyunk, és mindenki nézett már tükörbe is, a csúszósíkról csak a kristálytanban járatosak hallottak. Ideje hát, hogy ezt a hiányosságot kiküszöböljük.

A csúszósík egy olyan szimmetriaelem, amelyben egy tükörsík és az eltolás (kristálytani szakszóval transzláció) kombinálódik. A két kép bemutatja a közönséges tükörsík és a csúszósík különbségét. Az „A” molekulasort a vonal mentén elhelyezkedő (a rajz síkjára merőleges) tükörsíkra tükrözve a „B” jelű szerkezetet kapjuk. Ha viszont a rajz síkjára merőleges– szaggatott vonallal jelölt – olyan csúszósík „lép működésbe”, amelyben a tükrözés egy fél periódusnyi eltolással párosul, akkor a „C” jelű szerkezetet kapjuk.

Az A képen látható molekulasorra a folytonos vonal mentén húzódó tükörsík hatása (balra, B), illetve a szaggatott vonal mentén húzódó csúszósík (fél periódusnyi eltolással kombinált tükörsík) hatása (jobbra, C). (A kristálytani képek forrása: http://pd.chem.ucl.ac.uk/pdnn/symm1/glide1.htm)

Nem csoda, hogy a csúszósík csak a krisztallográfusok számára ismerős fogalom. Könnyű belátni ugyanis, hogy az efféle, eltolással (transzlációval) kombinált szimmetriák csak a jó közelítéssel végtelen kiterjedésűnek felfogható kristályok szerkezetében lehetnek érvényesek. Nézzük meg a téglafal képét, amelyre egy egymásra merőleges sárga és kék vonalat rajzoltunk. Ha a sárga vonalra egy a fal síkjára merőleges tükörsíkot állítunk, akkor –a téglák kisebb-nagyobb méretpontatlanságától és felületi mintázatától eltekintve – a fal egyik oldalát át tudjuk tükrözni a másik oldalra, vagyis a fal tükörszimmetrikus. Ha a kék vonalra – szintén a fal síkjára merőlegesen – egy olyan csúszósíkot állítunk, amelyben a tükrözést féltéglányi eltolással kombináljuk, a fal közepén szépen stimmel a szimmetria, a téglafal bal és jobb szélén lévő tégláknál viszont már nem, hiszen az eltolás az egyik oldalon „kivisz” egy fél téglányit a fal szélén túlra, a másik oldalon pedig nem tudja honnan behozni a hiányzó fél téglát. 

Tükörsík és csúszósík hatásának modellezése egy téglafalon.

A csúszósík tehát olyan testeknél „működik”, amelyeknek nincs szélük (nincs végük). Ilyen végtelennek tekinthető testek a kristályok. Szerkezetük ugyanis egy elemi egységnek a tér mindhárom irányában történő, végtelen számú megismétlésével (vagyis eltolásával) modellezhető. Hogy miért is tekinthetjük a kristályokat végtelen kiterjedésűnek? Gondoljuk el, hogy egy egymilliméteres élhosszúságú, kocka alakú sókristályban a kocka egy-egy éle mentén több mint 1,7 millió ilyen elemi egység sorakozik. A véges korcsolyapályáról tehát gondolatban eljutottunk a végtelenbe. Itt a vége, csússz el véle!