Hvað er kristall og af hverju myndast hann?

Nafn þitt

Netfang þitt

Netfang móttakanda

Ruslpóstvörn =

Svar

Hvað er kristall og af hverju myndast hann?
Árið 2015 voru 100 ár liðin frá því að feðgarnir Lawrence (1890–1971) og William Bragg (1862–1942) hlutu Nóbelsverðlaunin í eðlisfræði fyrir að greina innri byggingu kristalla með röntgengeislum. Árið áður hafði Max von Laue (1879–1960) fengið sömu verðlaun fyrir að uppgötva bylgjubeygju (e. diffraction) röntgengeisla í kristöllum. Á liðnum öldum hafa kristallar verið bæði rannsóknarefni og rannsóknartæki – og á liðnum þúsöldum verið eftirsóttir vegna fegurðar eða ætlaðra dularfullra eiginleika. En hvað eru kristallar?

Orðið kristall er úr grísku, κρύσταλλος (krystallos) sem merkir tær ís, og er dregið af sögninni krystaínein – að frjósa.

Fræðileg skilgreining er:

kristall er fastefnis-hlutur með einkennandi efnisbyggingu og umlukinn samhverfum flötum sem skerast undir ákveðnum og einkennandi hornum.^[1]

Með „einkennandi efnisbyggingu“ er átt við kristalgrindina, hlutföll mismunandi atóma og uppröðun þeirra, sem er einkennandi fyrir hverja steind og Bragg-feðgarnir urðu fyrstir til að greina fyrir 100 árum (1. mynd). Það var hins vegar Daninn Nicolaus Steno (Niels Steensen 1638–1686) sem uppgötvaði árið 1669 að sambærilegir kristalfletir í mismunandi kvars-kristöllum mynda ævinlega sama horn sín á milli – þetta gildir fyrir kristalla allra steinda og nefnist ýmist Lögmál Stenós eða Fyrsta lögmál kristallafræðinnar.

Annað svar við spurningunni „Hvað er kristall?“ gæti verið: Kristall er orkulægsta form efnisins. Svo við höldum okkur við ísinn, þá þarf orku til að bræða hann og breyta í fljótandi vatn – sú orka nefnist bræðsluorka – og síðan þarf uppgufunarorku til að breyta vatninu í gufu. Sama orka losnar þegar gufa þéttist í vatn og aftur þegar vatnið kristallast í ís. Þessu er best lýst með þeim varmafræðilega eiginleika efnis sem nefnist entrópía, óreiða á íslensku – í gufunni ríkir alger óreiða og agnirnar þeytast um óháðar hver annarri, en í kristal raðast atómin hvert í sitt sæti eftir settum reglum. Við alkul (–273°C) er óreiða kristals núll – engin hreyfing atómanna (2. mynd).

Hvernig myndast kristallar?

Yfirleitt vaxa kristallar úr vökva, til dæmis vatnslausn eða (berg)bráð. En einnig geta þeir vaxið í föstu efni, svo sem sjá má í myndbreyttu bergi. Snjókorn myndast úr undirkældum loftraka – það var sjálfur Jóhannes Kepler (1571–1630) sem fyrstur manna lýsti árið 1611 „hinum sexhyrndu snjókornum“ (3. mynd) og velti því fyrir sér hvort sexhyrnd þéttpökkun kúlna^[2] ráði einhverju um hin ýmsu form snjókorna. Ekki minntist hann þó á atóm og pökkun þeirra í kristöllum, sem varla var von, því 300 ár áttu eftir að líða þar til þeirri spurningu var svarað með tilkomu röntgen-kristallafræðinnar.

Þegar kristallar vaxa í vökva þarf fyrst að myndast kím. Það getur tekið hlutfallslega langan tíma því réttu jónirnar (rafhlaðin atóm) sem mynda eiga kristalinn, þurfa að „hittast“ og tengjast með réttum hætti. Eftir það vex kristallinn, lag fyrir lag líkt og veggur hlaðinn úr múrsteinum, við það að jónir setjast í tiltekin sæti á kristalflötunum. Hvert sæti passar einungis fyrir jón af ákveðinni stærð og (raf)hleðslu, þannig að enda þótt jónir margra frumefna séu á sveimi kringum vaxandi kristal, bindast aðeins þær réttu í kristalgrindinni. Dæmi um þetta má sjá í myndbreyttu bergi, til dæmis meðfylgjandi 4. mynd af granat-amfibólíti, þar sem umhverfis granatkristal^[3] er breiður baugur sneyddur í þeim efnum sem byggja granatinn.

Stærð kristalla

Náttúrlegir kristallar eru mjög mismunandi að stærð. Í samantekt árið 1981 yfir stærstu kristalla hinna ýmsu steintegunda^[4], var stærsti þekkti kristall sagður vera berýl (Be₃Al₂Si₆O₁₈) á Madagaskar, 18 m langur, 2,3 m í þvermál og 380 tonn. Litlu minni var gifs-kristall (CaSO₄.2H₂O) í hellinum Cueva de los Cristales í Mexíkó, 12 m langur, 4 m í þvermál og 55 tonn að þyngd. Sá kristall var stærstur af mörgum stórum í hellinum sem námamenn fundu árið 1910 á um 300 m dýpi, fullan af gríðarstórum gifs-kristöllum. Ólíft er í hellinum og hann erfiður til rannsókna því hiti þar er allt að 58°C og loftraki 99%. Þó hafa fræðimenn komist að því að djúpt undir hellinum sé kvikuhólf sem hitar grunnvatn þannig að það mettast af steinefnum, þar á meðal gifsi. Í um 500.000 ár var hellirinn fullur af þessum vökva og hitinn stöðugur við 50°C sem gaf risavöxnum kristöllum tóm til að vaxa. Hér þurfti því fernt til: nægilegt rými, réttan hita, gegnumstreymi steinefnaríks vatns, og langan tíma. Ástæðan fyrir því að fáir stórir kristallar myndast við þessar aðstæður er sú að litlir kristallar eru minna stöðugir en stórir þannig að þeir leysast upp og efnið nýtist í vöxt hinna stærri – þetta hefur með yfirborðsspennu að gera. Sama má sjá til dæmis í jökulís og marmara: ís- og kalkspatkristallar vaxa með aldri og dýpi í jökli eða bergi.

Við kjöraðstæður dugir þó styttri tími fyrir vöxt myndarlegra kristalla. Kvars (SiO₂) er mikilvægur hluti í ýmis konar iðnaðarframleiðslu – til dæmis ljósfræði- og rafeindatækjum – og því eru stórir kristallar ræktaðir í gríðarlegu magni. Í einni slíkri framleiðslustöð tekur það til dæmis 40 daga að rækta 20 cm langa og tommu breiða kvarskristalla við 300°C hita.

Einstakir, stórir kristallar eins og þeir sem sjá má á söfnum eða arinhillum fólks hafa flestir vaxið inn í holrúm í bergi. Hins vegar er næstum allt berg gert úr kristöllum sem oft eru örsmáir og aðeins sjáanlegir með smásjá eða röntgentækni eða með enn nýrri aðferðum. Í storkubergi – það er bergi sem storknað hefur úr bergkviku – fer kristalstærðin eftir hraða kólnunar og seigju kvikunnar. Ef kólnun er mjög hröð, til dæmis í gosum undir jökli, myndast engir kristallar og bráðin storknar sem gler – undirkældur vökvi. Við hæga kólnun þegar bergkvika storknar djúpt í jörðu verður bergið grófkornað og kristallar á stundum fleiri sentimetrar í þvermál.

Kristallar tengdir Íslandi

Í Ferðabók Eggerts og Bjarna (1772) segir um „Zeolithes albus purus“ (hvíta, hreina zeólíta):

Þegar við fyrir nokkrum árum sendum þessa fyrrum ókunnu, íslenzku steintegund til Vísindafélagsins í Kaupmannahöfn, var hún einnig samtímis send héðan til lærðra manna í öðrum ríkjum, einkum til sænskra vísindamanna. Þegar í stað var tekið að rannsaka hana og rita um hana, t.d. í ritum Akademísins sænska árið 1756. Ekki var hún rannsökuð af minna kappi í Danmörku, og er þeirri rannsókn enn haldið áfram.^[5]

Zeólítar – orðið merkir suðusteinar – eru flokkur margra steinda sem eru áberandi holufyllingar í tertíerum basaltlögum Íslands. Sumir þeirra kallast geislasteinar vegna útlits síns. Frægasti fundarstaður zeólíta er á Teigarhorni við Berufjörð. Auk þess að vera eftirsóttir skrautsteinar hafa zeólítar verið notaðir sem efnasíur, en einkum hafa þeir dugað vel hér á landi sem náttúrlegir hitamælar við jarðfræðikortlagningu.

Frægastur og mikilvægastur allra íslenskra kristalla frá sjónarmiði vísindanna er þó silfurbergið, en svo nefnast tærir, gagnsæir kristallar af kalkspati (kalsíti, CaCO₃). Leó Kristjánsson jarðeðlisfræðingur hefur skrifað um silfurberg og rannsóknir á því margar greinar á síðustu árum.^[6] Silfurberg úr námu hjá Helgustöðum í Reyðarfirði var numið til útflutnings í 250 ár, frá miðri 17. öld. Danski læknirinn og vísindamaðurinn Rasmus Bartholin (1625-98) rannsakaði silfurberg fyrstur manna og lýsti tvíbroti í því í riti 1669. Tvíbrot þýðir það að kristallinn klýfur ljósið í tvo geisla með ólíkt ljósbrot. Uppgötvun Bartholins hrundi af stað rannsóknum vísindamanna um alla Evrópu sem varaði í 300 ár, á eðlisfræði ljóssins, í kristallafræði og fleiri greinum, og leiddi til smíði margra merkilegra mælitækja. Þeirra á meðal var Nicol-prisminn, sem Skotinn William Nicol (1770–1851) fann upp 1828 til að skauta ljós. Prisminn er gerður úr silfurbergi og var hjartað í margvíslegum vísindatækjum allt fram til um 1930 þegar ódýrari gerviefni, til dæmis Polaroid, leystu hann af hólmi að nokkru leyti.

Sá mikilvægi atburður varð í Frakklandi árið 1795 að vísindamaður að nafni Abbé Haüy (1743-1822) missti silfurbergskristal á gólfið og hann brotnaði í 1000 mola. Þegar hann sópaði brotunum saman áttaði hann sig á því að stór brot og smá voru öll einslaga, og skynjaði þá að kristallinn – og kristallar allra steinda – eru samsettir úr „frum-einingum“ sem eru einkennandi fyrir hverja steind. Þessar „frum-einingar“ eru nú nefndar grindeiningar – minnsti hluti kristalgrindar sem hefur efnasamsetningu og samhverfu kristalsins alls.

Silfurberg heitir á ensku Iceland spar, og sambærilegum heitum á fleiri tungumálum.

Tilvísanir:

1. ^ Crystal: A solid body having a characteristic internal structure and enclosed by symmetrically arranged plane surfaces, intersecting at definite and characteristic angles. (Random House Dictionary).
2. ^ Jafnstórum kúlum má raða á tvo vegu þannig að holrými milli þeirra verði sem minnst, önnur röðunin nefnist kúbísk (tenings) þéttpökkun, hin hexagónal (sexhyrnd) þéttpökkun.
3. ^ (Ca,Fe)₃Al₂Si₃O₁₂.
4. ^ Rickwood, American Mineralogist 1981.
5. ^ Steindór Steindórsson frá Hlöðum þýddi.
6. ^ Leó Kristjánsson, 2007. Úr sögu íslenska silfurbergsins. Náttúrufræðingurinn, 76. árg. nr. 1-2, bls. 37-48.

Myndir:

• NaCl.png - Wikimedia Commons. (Sótt 13. 1. 2016).
• Entropy Changes and the Third Law of Thermodynamics. (Sótt 13. 1. 2016).
• SnowflakesWilsonBentley.jpg - Wikimedia Commons. (Sótt 13. 1. 2016).
• Stories Written in Stone Online: Archives - Metamorphic Rocks II. (Sótt 13. 1. 2016).
• Cristales cueva de Naica.JPG - Wikimedia Commons. (Sótt 13. 1. 2016).

...