Дълбоко под гейзерите и горещите извори на Йелоустоунската калдера лежи магмена камера, произведена от гореща точка в мантията на Земята. Докато магмата се движи към повърхността на Земята, тя се кристализира и образува млади, горещи магмени скали. Топлината от тези скали тласка подземните води към повърхността. С охлаждането на водата, йоните се утаяват под формата на минерални кристали, включително кварцови кристали от силиций и кислород; фелдшпат от калий, алуминий, силиций и кислород; галенит от олово и сяра.
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. Many of these crystals have signature shapes—
Много от тези кристали имат харакетерна форма - като тази каскада от остър кварц, или тази купчина кубчета галенит. Но какво ги кара да се развият в тези форми отново и отново?
take this cascade of pointed quartz, or this pile of galena cubes. But what causes them to grow into these shapes again and again? Part of the answer lies in their atoms.
Част от отговора се крие в техните атоми. Атомите на всеки кристал са подредени в силно организиран, повтарящ се модел. Този модел определя характеристиката на кристал, и не се отнася само за минерали - пясък, лед, захар, шоколад, керамика, метали, ДНК,
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,
и дори някои течности имат кристални структури. Нареждането на атомите на всяка кристална структура попада в един от шест различни рода: кубичен, тетрагонален, орторомбичен, моноклинен, триклинен и хексагонален. При наличност на подходящите условия, кристалите се развиват в геометрични форми, които отразяват нареждането на техните атоми. Например галенита, който има кубична структура съставена от оловни и серни атоми. Относително големите оловни атоми са подредени в триизмерна решетка на 90 градуса един от друг, докато относително малките серни атоми се нареждат удобно помежду им. С растежа на кристала, места като тези привличат серни атоми, докато оловото има тенденцията да се свързва с тези места. Накрая те ще запълнят решетката от свързани атоми. Това означава, че 90-градусовия модел на кристалната структура на галенита
and even some liquids have crystalline structures. 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
се отразява във видимата форма на кристала. Кварцът, междувременно, има хексагонална кристална структура. Това означава, че на една равнина атомите му са подредени в шестоъгълници. В три измерения тези шестоъгълници са съставени от множество преплетени пирамиди съставени от един силициев атом и четири кислородни атома. Така че формата на кварцовия кристал
is reflected in the visible shape of the crystal. 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
е шестстранна колона със заострени върхове. В зависимост от условията на околната среда, повечето кристали имат потенциала да образуват множество геометрични фигури. Например, диамантите, които се образуват дълбоко в мантията на Земята, имат кубична кристална структура и се развиват в кубчета или октаедри. В коя точно форма израства диаманта зависи от условията, в които расте, включително налягане, температура, и химическата среда. Въпреки, че не можем да следим директно условията за разтеж в мантията някои лабораторни експерименти показват доказателства, че диамантите са склонни да растат като кубове при по-ниски температури и октаедри при по-високи температури. Следи от вода, силиций, германий или магнезий също може да въздействат върху формата на диаманта. И диамантите никога не растат естествено във фигурите намерени в бижутата—
is a six-sided column with pointed tips. 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—
тези диаманти са били изрязани, за да покажат блясък и чистота. Околната среда също може да повлияе дали кристалите изобщо се образуват. Стъклото е направено от разтопен кварцов пясък, но не е кристално. Това е защото стъклото се охлажда сравнително бързо и атомите нямат време да се подредят в подредената структура на кварцов кристал. Вместо това, случайното подреждане на атомите в стопеното стъкло
those diamonds have been cut to showcase sparkle and clarity. 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
се заключва при охлаждане. Много кристали не образуват геометрични форми, защото растат в изключително близки среди с други кристали. Камъните като гранит са пълни с кристали, но нямат разпознаваеми форми. Доакто магмата се охлажда и втвърдява, много минерали се кристализират по едно и също време и бързо запълват мястото. И някои кристали, като тюркоаз, не се развиват в определена геометрична форма в повечето природни условия,
is locked in upon cooling. 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,
дори при дадено достатъчно пространство. Атомната структура на всеки кристал има уникални свойства, и докато тези свойства може да нямат връзка с човешките емоционални нужди, те имат мощни приложения в материалознанието и медицината.
even given adequate space. 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.