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.
Nelle profondità di geyser e sorgenti termali della caldera di Yellowstone giace una camera magmatica prodotta da un punto caldo nel mantello terrestre. Mentre il magma sale verso la superficie della Terra, si cristallizza formando giovani e calde rocce ignee. Il loro calore conduce le falde acquifere in superficie. L'acqua poi si raffredda, gli ioni precipitano e si formano cristalli minerali, come cristalli di quarzo da silicio e ossigeno, feldspato da potassio, alluminio, silicio e ossigeno,
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?
galena da piombo e zolfo. Molti di questi hanno forme che li contraddistinguono, come questa cascata di quarzo appuntito, o questo ammasso di cubi di galena.
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.
Ma che cosa contribuisce a far assumere loro sempre questa forma? Parte della risposta sta negli atomi. Gli atomi di ogni cristallo sono disposti in strutture ben organizzate e ripetute. Tali strutture sono la caratteristica distintiva del cristallo, e non si limitano ai minerali: sabbia, ghiaccio, zucchero, cioccolato, ceramica, metalli, DNA e perfino alcuni liquidi hanno strutture cristalline.
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.
Ogni disposizione atomica di materiale cristallino rientra in una di queste sei famiglie: cubica, tetragonale, ortorombica, monoclina, triclina ed esagonale. In condizioni adeguate, i cristalli assumono forme geometriche che riflettono la disposizione dei loro atomi. La galena ha una struttura cubica fatta di atomi di piombo e zolfo. Gli atomi di piombo, piuttosto grandi, si sistemano in una griglia tridimensionale formando angoli retti, mentre gli atomi di zolfo, piuttosto piccoli, si collocano in mezzo. Crescendo, queste posizioni attraggono atomi di zolfo, mentre il piombo tenderà a legarsi a quelle collocazioni. Alla fine, la griglia di atomi uniti verrà completata. Ciò significa che la struttura cristallina ad angoli retti della galena si riflette nella forma visibile del cristallo.
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.
Il quarzo, invece, ha una struttura cristallina esagonale. Ciò significa che su un piano gli atomi si dispongono a esagoni. A livello tridimensionale, gli esagoni sono composti da piramidi a incastro costituite da un atomo di silicio e quattro atomi di ossigeno. La forma peculiare del cristallo di quarzo è una colonna a sei lati appuntita.
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.
A seconda delle condizioni ambientali, la maggior parte dei cristalli riesce a formare molteplici forme geometriche. I diamanti, per esempio, che si formano nelle profondità del mantello terrestre, hanno una struttura cristallina cubica e possono diventare o cubi o ottaedri. La forma particolare assunta da ogni diamante dipende dalle condizioni di dove cresce, tra cui pressione, temperatura e ambiente chimico. Pur non potendo osservare direttamente le condizioni di crescita nel mantello, esperimenti di laboratorio hanno dimostrato che i diamanti tendono a formare cubi a basse temperature e ottaedri a temperature più alte. Anche tracce di acqua, silicio, germanio o magnesio potrebbero influire sulla forma del diamante. E in natura i diamanti non assumono mai la forma in cui li troviamo nei gioielli, vengono tagliati per sfoggiare brillantezza e chiarezza.
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.
Le condizioni ambientali possono anche determinare se i cristalli si formeranno o meno. Il vetro è fatto di sabbia di quarzo sciolta, ma non è cristallino. Questo perché il vetro si raffredda in tempi piuttosto brevi, e gli atomi non fanno in tempo a posizionarsi nella struttura ordinata del cristallo di quarzo. Anzi, la disposizione casuale degli atomi nel vetro fuso viene bloccata nel raffreddamento.
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.
Molti cristalli non assumono forme geometriche perché crescono a strettissimo contatto con altri cristalli. Rocce come il granito sono piene di cristalli, ma nessuno di essi ha forme riconoscibili. Mentre il magma si raffredda e si solidifica, lo stesso fanno i minerali al suo interno, esaurendo ben presto lo spazio. E alcuni cristalli, come la turchese, non assumono forme riconoscibili in gran parte delle condizioni ambientali, perfino avendo spazio adeguato.
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.
Ogni struttura atomica del cristallo ha proprietà uniche, e benché possano non aver alcun peso nei bisogni emotivi dell'uomo, hanno straordinarie applicazioni nella scienza dei materiali e in medicina.