Tief unter den Geysiren und heißen Quellen der Yellowstone Caldera liegt eine Magmakammer, die aus einem Hotspot im Erdmantel entstanden ist. Wenn das Magma zur Erdoberfläche aufsteigt, kristallisiert es und bildet so frisches, heißes, magmatisches Gestein. Die Hitze dieses Gesteins treibt Grundwasser in Richtung Oberfläche. Beim Abkühlen des Wassers schlagen sich Ionen als Mineralkristalle nieder, so zum Beispiel Quarzkristalle aus Silizium und Sauerstoff, Feldspat aus Kalium, Aluminium, Silizium und Sauerstoff, Galenit aus Blei und Schwefel. Viele dieser Kristalle haben charakteristische Formen - wie diese Kaskade aus spitzem Quarz oder diese Ansammlung von Galenit-Würfeln. Aber weshalb wachsen sie immer wieder in diesen Formen heran? Ein Teil der Antwort liegt in ihren Atomen. Alle Atome eines Kristalls sind in einem hochorganisierten, sich wiederholenden Muster angeordnet. Dieses Muster ist das charakteristische Merkmal eines Kristalls und beschränkt sich nicht nur auf Mineralien - Sand, Eis, Zucker, Schokolade, Keramik, Metalle, DNA und sogar einige Flüssigkeiten besitzen kristalline Strukturen. Die atomare Anordnung eines kristallinen Materials fällt in eine von sechs verschiedenen Familien: kubisch, tetragonal, orthorhombisch, monoklin, triklin und hexagonal. Unter geeigneten Bedingungen wachsen Kristalle in geometrischen Formen, die die Anordnung ihrer Atome widerspiegeln. Zum Beispiel Galenit, das eine kubische Struktur aus Blei und Schwefel hat. Die relativ großen Bleiatome sind in einem dreidimensionalen Gitter um 90 Grad zueinander versetzt angeordnet, sodass die verhältnismäßig kleineren Schwefelatome genau dazwischen passen. Während der Kristall wächst, ziehen solche Stellen Schwefelatome an, an die sich wiederum Blei bindet. So bilden sie letztlich das Gitter aus gebundenen Atomen. Das rechtwinkelige Gittermuster der Galenit-Struktur spiegelt sich also im Erscheinungsbild des Kristalls wider. Quarz dagegen besitzt eine hexagonale Kristallstruktur. Das heißt, dass die Atome auf einer Ebene sechseckig angeordnet sind. Dreidimensional betrachtet bestehen diese Sechsecke aus vielen ineinandergreifenden Pyramiden, zusammengesetzt aus je einem Siliziumatom und vier Sauerstoffatomen. Die charakteristische Form eines Quarzkristalls ist also eine sechsseitige Säule mit spitzen Enden. Abhängig von den Umgebungsbedingungen haben die meisten Kristalle das Potential, mehrere geometrische Formen zu bilden. Zum Beispiel haben Diamanten, die sich tief in der Erdkruste bilden, eine kubische Kristallstruktur und können zu Würfeln oder Oktaedern wachsen. In welche Form ein bestimmter Diamant wächst hängt von den Bedingungen dort ab, wo er wächst, einschließlich Druck, Temperatur und chemischer Umgebung. Auch wenn wir die Wachstumsbedingungen in der Erdkruste nicht direkt beobachten können, deuten Versuche im Labor darauf hin, dass Diamanten bei niedrigen Temperaturen eher würfelförmig wachsen und bei hohen Temperaturen zu Oktaedern werden. Spuren von Wasser, Silizium, Germanium oder Magnesium beeinflussen die Form eines Diamanten möglicherweise auch. Auch bilden Diamanten niemals auf natürliche Weise die Formen, die man von Schmuck kennt - diese Diamanten wurden geschliffen, um durch Funkeln und Klarheit zu punkten. Umweltbedingungen beeinflussen auch, ob sich überhaupt Kristalle bilden. Glas besteht aus geschmolzenem Quarzsand, aber es ist nicht kristallin. Das ist so, weil Glas relativ schnell abkühlt, und die Atome so keine Zeit haben sich in der geordneten Struktur eines Quarzkristalls zu arrangieren. Stattdessen verfestigt sich beim Abkühlen die zufällige Anordnung der Atome im geschmolzenen Glas. Viele Kristalle bilden keine geometrischen Formen, weil sie auf sehr engem Raum mit anderen Kristallen wachsen. Gesteine wie Granit bestehen aus lauter Kristallen, aber keine davon haben erkennbare Formen. Wenn das Magma abkühlt und erstarrt, kristallisieren darin viele Mineralien gleichzeitig und es wird schnell zu eng. Und bestimmte Kristalle, wie Türkis, entwickeln sich meist gar nicht zu erkennbaren geometrischen Formen, selbst wenn sie genug Platz haben. Die atomare Anordnung jedes Kristalls besitzt einzigartige Eigenschaften, und auch wenn sie vermutlich keine Auswirkungen auf menschliche emotionale Bedürfnisse haben, werden sie doch wirkungsvoll in der Werkstoffwissenschaft und in der Medizin angewendet.
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— 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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.