عميقًا تحت الفوارات الحارة والينابيع الساخنة في كاليدرا يلوستون تتوضع حجرةً صهارية تنتج عن نقطة ساخنة في وشاح الأرض. أثناء تحرك الصهارة باتجاه سطح الأرض، تتبلور مشكلةً صخورًا بركانية جديدة ساخنة. الحرارة المنبعثة من هذه الصخور تقود المياه الجوفية إلى السطح. عندما تبرد المياه، تترسب الأيونات مشكلةً بلورات معدنية، بما فيها بلورات الكوارتز المكونة من السيليكون والأكسجين، الفلسبار المكون من البوتاسيوم، والألمنيوم، والسيليكون، والأكسجين، الجالينا المكون من الرصاص والكبريت.
Deep beneath the geysers and hot springs of Yellowstone Caldera lies a magma chamber produced by a hot spot in the earth’s mantle. As the magma moves towards the Earth’s surface, it crystallizes to form young, hot igneous rocks. The heat from these rocks drives groundwater towards the surface. As the water cools, ions precipitate out as mineral crystals, including quartz crystals from silicon and oxygen, feldspar from potassium, aluminum, silicon, and oxygen, galena from lead and sulfur.
العديد من هذه البلورات لديها أشكال تميزها- كهذه السلسلة من الكوارتز المدبّب، أو هذه الكومة من مكعبات الجالينا. لكن ما الذي يدفعهم للنمو بهذه الأشكال مرةً بعد الأخرى؟
Many of these crystals have signature shapes— take this cascade of pointed quartz, or this pile of galena cubes. But what causes them to grow into these shapes again and again?
جزء من الإجابة يكمن في ذراتهم. كل ذرات البلورات تترتب بنمطٍ منتظم جدًا ومتكرر. هذا النمط هو الخاصية المميزة للبلّورة، ولا يقتصر فقط على المعادن- الرمل، الجليد، السكر، الشوكولا، السيراميك، الفلزات، الحمض النووي، وحتى بعض السوائل تمتلك بنىً بلورية.
Part of the answer lies in their atoms. Every crystal’s atoms are arranged in a highly organized, repeating pattern. This pattern is the defining feature of a crystal, and isn’t restricted to minerals— sand, ice, sugar, chocolate, ceramics, metals, DNA, and even some liquids have crystalline structures.
كل ترتيب ذري للمواد البلورية ينتمي إلى واحدة من ستة أنواع مختلفة: مكعب، رباعي، معيني قائم، أحادي الميل، ثلاثي الميل، وسداسي. بوجود الظروف المناسبة، ستنمو البلورات في أشكال هندسية تعكس ترتيب ذراتها. الجالينا على سبيل المثال، التي لديها بنية مكعب مكونة من ذرات الرصاص والكبريت. ذرات الرصاص الكبيرة نسبيًا مرتبة في شبكة ثلاثية الأبعاد على بُعد 90 درجة من بعضها الآخر، بينما تتوضع ذرات الكبريت الصغيرة نسبيًا بينها بشكل مناسب. وبنمو البلّورة، تجذب مواقع كهذه ذرات الكبريت، بينما يميل الرصاص للارتباط بهذه الأماكن. وفي النهاية، سيُكملون شبكة الذرات المترابطة. هذا يعني أن نمط شبكة الـ 90 درجة لبنية الجالينا البلورية ينعكس في الشكل الظاهر للبلّورة.
Each crystalline material’s atomic arrangement falls into one of six different families: cubic, tetragonal, orthorhombic, monoclinic, triclinic, and hexagonal. Given the appropriate conditions, crystals will grow into geometric shapes that reflect the arrangement of their atoms. Take galena, which has a cubic structure composed of lead and sulfur atoms. The relatively large lead atoms are arranged in a three-dimensional grid 90 degrees from one another, while the relatively small sulfur atoms fit neatly between them. As the crystal grows, locations like these attract sulfur atoms, while lead will tend to bond to these places. Eventually, they will complete the grid of bonded atoms. This means the 90 degree grid pattern of galena’s crystalline structure is reflected in the visible shape of the crystal.
الكوارتز، من ناحيةٍ أخرى، يمتلك بنيةً بلورية سداسية. هذا يعني أنه على سطح مستوٍ تترتب ذراته بأشكال سداسية. بالأبعاد الثلاثية، هذه الأشكال السداسية تتألف من العديد من الأهرامات المتداخلة المكونة من ذرة سيليكون وأربع ذرات أكسجين. إذًا الشكل المميز لبلورة الكوارتز هو عمودٌ بستة جوانب مع نهاياتٍ مدبّبة.
Quartz, meanwhile, has a hexagonal crystalline structure. This means that on one plane its atoms are arranged in hexagons. In three dimensions, these hexagons are composed of many interlocking pyramids made up of one silicon atom and four oxygen atoms. So the signature shape of a quartz crystal is a six-sided column with pointed tips.
تبعًا للظروف البيئية، معظم البلورات لديها إمكانية لتتخذ أشكالًا هندسية متعددة. على سبيل المثال، الماس، الذي يتشكل عميقًا داخل وشاح الأرض، يمتلك بنية بلورية مكعبة الشكل ويمكنه أن ينمو إما بشكل مكعبات أو ثمانيات الأوجه. إن الشكل الذي تغدو إليه ألماسةً ما يتوقف على الظروف التي تنمو بها، بما فيها الضغط، الحرارة، والبيئة الكيميائية. في حين لا يمكننا أن نراقب ظروف النمو في الوشاح، أظهرت التجارب المخبرية بعض الأدلة أن الماس يميل للنمو بشكل مكعبات في درجات حرارة منخفضة وبشكل ثماني أوجه في درجات حرارة مرتفعة. كميات ضئيلة من الماء، السيليكون، الجيرمانيوم، أو المغنيزيوم يمكنها أن تؤثر في شكل الماس أيضًا. والماس لا ينمو طبيعيًا بالأشكال التي نجدها في المجوهرات أبدًا- هذه الألماسات تم صقلها لتظهر اللمعان والصفاء.
Depending on environmental conditions, most crystals have the potential to form multiple geometric shapes. For example, diamonds, which form deep in the Earth’s mantle, have a cubic crystalline structure and can grow into either cubes or octahedrons. Which shape a particular diamond grows into depends on the conditions where it grows, including pressure, temperature, and chemical environment. While we can’t directly observe growth conditions in the mantle, laboratory experiments have shown some evidence that diamonds tend to grow into cubes at lower temperatures and octahedrons at higher temperatures. Trace amounts of water, silicon, germanium, or magnesium might also influence a diamond’s shape. And diamonds never naturally grow into the shapes found in jewelry— those diamonds have been cut to showcase sparkle and clarity.
يمكن للظروف البيئية أن تؤثر أيضًا في ما إذا كانت البلورات ستتشكل أصلًا. يُصنع الزجاج من رمل الكوارتز المذاب، لكنه غير بلوري. هذا لأن الزجاج يبرد بشكل سريع نسبيًا، فلا تجد الذرات الوقت لترتّب نفسها في شكل البنية المحددة لبلّورة الكوارتز. بدلًا من ذلك، الترتيب العشوائي للذرات في الزجاج المذاب يتثبت بعد التبريد.
Environmental conditions can also influence whether crystals form at all. Glass is made of melted quartz sand, but it isn’t crystalline. That’s because glass cools relatively quickly, and the atoms do not have time to arrange themselves into the ordered structure of a quartz crystal. Instead, the random arrangement of the atoms in the melted glass is locked in upon cooling.
العديد من البلورات لا تشكل أشكالًا هندسية لأنها تنمو بمسافات قريبة جدًا من البلورات الأخرى. الصخور كالجرانيت مليئة بالبلورات، ولكن ليس لأي منها أشكالًا محددة. بينما تبرد الصهارة وتتصلب، تتبلور فيها العديد من المعادن في الوقت نفسه وتختفي المساحات الفارغة سريعًا. وبعض البلورات، كالفيروز، تنمو بشكل هندسي غير قابل للتمييز في معظم الظروف البيئية، حتى مع توفر المساحة الكافية.
Many crystals don’t form geometric shapes because they grow in extremely close quarters with other crystals. Rocks like granite are full of crystals, but none have recognizable shapes. As magma cools and solidifies, many minerals within it crystallize at the same time and quickly run out of space. And certain crystals, like turquoise, don’t grow into any discernible geometric shape in most environmental conditions, even given adequate space.
كل بنية ذرية لبلورة ما لها خصائصها المميزة، وبينما ليس هنالك أي تأثير لهذه الخصائص على احتياجات الإنسان العاطفية، فإن لها تطبيقات قوية في علم المواد والطب.
Every crystal’s atomic structure has unique properties, and while these properties may not have any bearing on human emotional needs, they do have powerful applications in materials science and medicine.