Eddig áttekintettük, hogy melyik mérettartományban és milyen tulajdonságokat kell a kör-nyezetmérnöknek és a környezetkutatónak meghatározni, hogy a munkájában fontos ásvá-nyokat és műtermékeket jellemezni tudja.
Felmerül a kérdés, hogy vajon megvannak-e ezekhez a vizsgálatokhoz az eszközeink? Ha ezt a kérdést valaki föltette volna 35 éve, amikor e sorok szerzője az egyetemen tanult, a válasz még nemleges lett volna. A mai diákok számára már jobbak a kilátások! De nézzük a részleteket röviden.
5.1. Az alak, méret meghatározása a környezeti anyagoknál
A tudományos megfigyelés kezdetei óta ismerjük a szabad szemmel látható méretű, tehát néhány tized milliméternél nagyobb tárgyakat, szemcséket. Az elmúlt 150 évben már ala-posan megismerhettük a fénymikroszkópok gyakorlati felbontási határánál, az egy mikro-méternél nagyobb alakzatokat is (5.1. ábra). A fénymikroszkópok tehát csaknem három nagyságrenddel tágították a megismerés lehetőségét, és nagyon fontos új felismerésekhez segítették a kutatókat, gyakorlati szakembereket. A fénymikroszkóp sok évtizede része a mindennapi munkának, legyen az termelés során a minőségellenőrzés, termék- vagy tech-nológiafejlesztés, vagy éppen környezeti monitorozás.
5.1. ábra: A környezettudomány szilárd anyagainak leírásához fontos információtípusok és a meg-szerzésüket lehetővé tevő vizsgálati módszerek. Figyeljük meg, hogy a környezeti ásványtan anya-gainak mérettartományában (1 nm–1 µm) az információk csak korszerű nagyműszerekkel
szerezhe-tők meg
5. A KÖRNYEZETI SZILÁRD ANYAGOK... 43
Weiszburg Tamás, Tóth Erzsébet, ELTE TTK www.tankonyvtar.hu
Az 5.1. ábrán jól látszik azonban, hogy az általunk kitűzött alsó határt (lásd 4. fejezet) még négy nagyságrend választja el a fénymikroszkóppal elért határtól. Ráadásul, ahogy arról a korábbiakban már szóltunk (4.1. ábra) és a későbbiekben példákkal is megmutat-juk, a környezeti folyamatok során keletkező szilárd anyagok döntő többsége éppen ebbe a lefedetlen mérettartományba esik.
Itt nem részletezett okok miatt a nanométeres mérettartományt már nem a fénnyel, vagy a fényhez hasonló természetű elektromágneses sugarakkal (pl. ultraibolya vagy röntgensuga-rak) tesszük láthatóvá, hanem elektronsugárzással, gyorsított elektronokkal képet alkotó elektronmikroszkópokkal. Az elektronmikroszkópoknak két – fő működési elvük alapján jól elkülönülő – fajtája van, a pásztázó (angolul scanning, rövidítése: SEM), és az átvilágí-tó (transzmissziós, rövidítése: TEM) elektronmikroszkóp.
Ezeknél a nagyműszereknél az előállított képekről már eltűnnek makroszkópos világunk egyes megszokott fogalmai. Nincs értelme például színről beszélni, csak különböző detek-tált jelekről, jelerősségekről és kontrasztokról. Az elektronmikroszkópok képeit korábban filmes fényképezéssel rögzítették, ma már közvetlenül digitális formában rögzítjük.
Minden alkalommal, mielőtt egy elektronmikroszkópos kép értelmezésébe kezdenénk, két dolgot kell felderítenünk: 1) pontosan milyen technikával, milyen jelek felhasználásával készült, és 2) mekkora a nagyítása. A nagyítást ma már szinte kizárólagosan a képre helye-zett léptékkel adjuk meg.
Az 5.1. ábra mutatja, hogy az elektronmikroszkópokkal ma már a környezettel dolgozó mérnök vagy kutató által vizsgált mérettartomány lefedhető. A gyakorlatban azonban, kü-lönösen a 0,1 nm–1 nm tartományban, még számos technikai nehézség bonyolítja a vizsgá-latokat. Ezek elhárítása csak kiemelkedő felkészültségű elektronmikroszkópos szakembe-rek segítségével oldható meg.
Külön műszercsaládot képviselnek a felületek nagyfelbontású vizsgálatára alkalmas eszkö-zök. Itt közülük csak az atomi erőmikroszkópot (AFM) említjük.
5.2. A kémiai összetétel meghatározása a környezeti anyagoknál
A klasszikus kémiai elemzéseknél a szabad szemmel is jól látható anyagmennyiségeket tudják biztonsággal meghatározni. A környezeti anyagok tartományában (5.1. ábra) a pa-rányi térfogatokat vagy úgynevezett helyi (lokális) elemzésre alkalmas eszközökkel, példá-ul az alak jellemzésénél már bemutatott elektronmikroszkópok analitikai változataival (ATEM, ASEM), vagy nagyon kis koncentrációk kimutatására alkalmas spektroszkópiai módszerekkel (ICP-AES, ICP-MS, XRF) tudjuk kémiailag jellemezni. Az előbbi módsze-rek legtöbbször lehetővé teszik, hogy a kémiai inhomogenitásokat, a kémiai változatosság természetét (lásd 2.3. ábra) is meghatározzuk, az utóbbi módszerek csak átlageredménye-ket szolgáltatnak. Nincs mindenható vizsgálati módszer, minden műszeres mérésnek van erőssége és gyengéje, a konkrét mérések tervezését csak a konkrét környezeti probléma pontos megfogalmazása után szabad elkezdeni.
5.3. A (kristály)szerkezet meghatározása környezeti mintáknál
A szilárd, kristályos anyagok szerkezetének meghatározása, ezen anyagok rutinszerű azo-nosítása ma leggyakrabban röntgendiffrakcióval történik. A röntgendiffrakció a
röntgensu-44 KÖRNYEZETI ÁSVÁNYTAN I.
www.tankonyvtar.hu Weiszburg Tamás, Tóth Erzsébet, ELTE TTK
garak elhajlásán alapuló fizikai vizsgálati módszer. Alkalmazhatósága igen széleskörű, mikrométernél nagyobb szemcseméretű anyagok, porok jól azonosíthatók vele.
A röntgen(por)diffraktométer a környezeti ásványtannak is alapeszköze, de ebben az al-kalmazásban már több korlátba is beleütközünk. A számunkra leglényegesebb korlátok:
a vizsgálható anyagmennyiségnek minimális mennyisége: legalább pár száz μm3 – sokszor nincs ennyi anyagunk;
a folytonos kristályrács minimális kiterjedése: 0,1 μm alatt már egyre bizonytala-nabb a kiértékelés – a környezeti folyamatok ásványainak szemcsemérete gyakran el sem éri ezt a méretet.
Ezeken a korlátokon a transzmissziós elektronmikroszkópban megfigyelhető elektronelhaj-lás (elektrondiffrakció; TEM – SAED) alkalmazásával tudunk túllépni.
Az elektrondiffrakció rendkívül hatékony a számunkra fontos, nm tartományba eső krisztallitok (kristálykák) meghatározásában.
E módszernek is megvannak természetesen a korlátai. Közülük a környezeti mintáknál kiemelhető, hogy a vákuumban történő mérés számos víztartalmú ásvány vizsgálatát meg-hiúsítja, továbbá, hogy az elektronsugárral történő bombázás elroncsolhatja a viszonylag kis energiájú kötéseket (is) tartalmazó környezeti ásványokat, lehetetlenné téve a vizsgálat elvégzését.
Környezetünkben számos olyan szilárd1 anyag van, amelyben nem alakul ki a hosszú távú rend, nem lehet szerkezetüket kristályrács segítségével leírni.
Az ilyen anyagok vizsgálatára jól használhatók a rövid- és középtávú rendet mutató szer-kezeti spektroszkópiák (5.1. ábra), mint például az infravörös (IR) spektroszkópia, a Raman-spektroszkópia, a Mössbauer-spektroszkópia, a magmágnes-rezonancia spektrosz-kópia (NMR) vagy a különböző elnyelési röntgenspektroszkópiák (XANES, EXAFS).
Az atomok, atomcsoportok rendjét közvetlenül is vizsgálhatóvá teszi a nagyfeloldású transzmissziós elektronmikroszkópia (HRTEM), valamint a felületek esetében a már fent is említett AFM és a hozzá hasonló elven működő más mikroszkópok.
Természetesen a nem kristályos anyagoknál alkalmazható, itt felsorolt módszerek kivétel nélkül alkalmazhatók a kristályos anyagok vizsgálatára is.
A környezetmérnök és a környezetkutató későbbi tanulmányai során részletesen is meg fog ismerkedni az e fejezetben röviden bemutatott mérési módszerekkel.
1 A fizikában csak azokat az anyagokat nevezik szilárdnak, amelyek kristályosak is. Mi a szilárd fogalmat kiterjesztve használjuk minden olyan kondenzált anyagra, amelynek saját alakja van, és ezt a környezeti időskálán (napok, évek, legfeljebb évezredek) meg is tartja. Ezáltal például a fizikában folyadéknak tekintett üvegek a mi tárgyalásunkban szilárd anyagok.
Weiszburg Tamás, Tóth Erzsébet, ELTE TTK www.tankonyvtar.hu