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.
עמוק מתחת לגייזרים והמעיינות החמים של אגן ילוסטון נמצא תא מגמה שנוצר על ידי נקודה חמה במעטפת כדור הארץ. כשהמגמה נעה כלפי פני כדור הארץ, היא מתגבשת ליצור סלע יסוד צעיר וחם. החום מהסלעים האלה מניע מי תהום לפני השטח. כשהמים מתקררים, יונים מצטברים כשכבה של גבישים מינרליים, כולל גבישי קווארץ מצורן וחמצן, פצלת מאשלגן, אלומיניום, צורן וחמצן, גלנה מעופרת וגופרית.
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?
להרבה מהגבישים האלה יש צורות יחודיות -- קחו לדוגמה את המפל של הקווארץ המחודד, או קוביות הגלנה. אבל מה גורם להם לגדול בצורות האלו שוב ושוב?
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.
חלק מהתשובה נמצא באטומים שלהם. כל האטומים בגביש מסודרים בתבנית חוזרת ומאוד מסודרת. התבנית הזו היא התכונה המגדירה של הגביש, והיא לא מוגבלת למינרלים -- לחול, קרח, סוכר, שוקולד, קרמיקה, מתכות, DNA, ואפילו כמה נוזלים יש מבנה גבישי.
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.
כל סידור אטומי של מבנה גבישי נופל לאחת משש משפחות שונות: קוביתי, טטרגונלי, אורטוהומבי, מונוקליני, טריקליני ומשושה. בהינתן תנאים מתאימים, גבישים גדלים לצורות גאומטריות שמשקפות את הסידור של האטומים שלהם. קחו גלנה, שיש לה מבנה קובייתי שמורכב מאטומים של עופרת וגופרית. האטומים הגדולים יחסית של העופרת מסודרים בגריד תלת מימדי של 90 מעלות אחד מהשני, בעוד אטומי הגופרית הקטנים יחסית מתאימים יפה ביניהם. כשהגביש גדל, מיקומים כאלה מושכים אטומי גפרית, בעוד העופרת נוטה להקשר למקומות כאלה. לבסוף, הם ישלימו את הגריד של אטומים קשורים. זה אומר שתבנית הגריד של 90 מעלות של מבנה גביש הגלנה משתקפת בצורה הנראית של הגביש.
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.
לקווארץ, בינתיים, יש מבנה גבישי משושה. זה אומר שבמישור אחד האטומים שלו מסודרים במשושים. בשלושה מימדים, המשושים האלה מורכבים מהרבה פירמידות תלת מימדיות קשורות שעשויות מאטום צורן אחד וארבעה אטומי חמצן. אז הצורה הידועה של גביש הקווארץ היא עמוד בעל שש צלעות עם קצוות מחודדים.
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.
בהתאם לתנאי הסביבה, לרוב הגבישים יש פוטנציאל ליצור צורות גאומטריות מרובות. לדוגמה, ליהלומים, שנוצרים עמוק בתוך מעטפת כדור הארץ, יש מבנה גבישים קובייתי והם יכולים לגדול או לקוביות או לאוקטהדרונים. הצורה אליה יהלום גדל תלויה בתנאים בהם הוא גדל, כולל לחץ, טמפרטורה, וסביבה כימית. בעוד אנחנו לא יכולים לצפות ישירות בתנאי גדילה במעטפת, ניסויים במעבדה הראו כמה עדויות שיהלומים נוטים לגדול לקוביות בטמפרטורות נמוכות יותר ואוקטהדרונים בטמפרטורטות גבוהות יותר. כמויות זעירות של מים, צורן, גרמניום או מגנזיום יכולים גם להשפיע על הצורה של היהלום. ויהלומים לעולם לא גדלים באופן טבעי לצורות שנמצאות בתכשיטים -- היהלומים האלה נחתכו כדי להראות את הברק והשקיפות.
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.
תנאים סביבתיים יכולים גם להשפיע אם גבישים נוצרים בכלל. זכוכית נוצרת מחול קווארץ מותך, אבל היא לא גבישית. זה בגלל שזכוכית מתקררת יחסית מהר, ולאטומים אין זמן לארגן את עצמם למבנים מסודרים של גבישי קווארץ. במקום, הסידור האקראי של האטומים בזכוכית המותכת ננעל עם ההתקררות.
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.
גבישים רבים לא יוצרים צורות גאומטריות בגלל שהם גדלים קרוב מאד לגבישים אחרים. סלעים כמו גרניט מלאים בגבישים, אבל אף אחד לא בצורתו המוכרת. כשמאגמה מתקררת ומתקשה, הרבה מינרלים בתוכה מתגבשים באותו זמן ומהר מאוד נגמר להם המקום. וגבישים מסויימים, כמו טורקיז, לא גדלים לצורות גאומטריות מוגדרות ברוב התנאים הסביבתיים, אפילו אם נותנים להם מספיק מקום.
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.
לכל מבנה אטומי של גביש יש תכונות יחודיות, ובעוד לתכונות האלו אולי אין השפעה על הצרכים הנפשיים של אנשים, יש להם שימושים חזקים במדעי החומר והרפואה.