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.
イエローストーン・カルデラの 間欠泉や温泉の地下深くには マントル中のホットスポットにより作り出された マグマ溜まりがあります マグマが地表に向かって 移動するとき 結晶化して 新しく熱い火成岩となります 岩石の熱で地下水が 地表の方に押し出され 水が冷えると イオンが沈殿して 結晶になります 珪素と酸素からなる石英 カリウム アルミニウム 珪素 酸素からなる長石 鉛と硫黄からなる方鉛鉱など
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?
これらの結晶の多くは 特徴的な形を持っています 尖った針山のような石英や 立方体を積み重ねたような方鉛鉱 でも なぜ繰り返し このような形になるのでしょう?
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.
その鍵は原子にあります 結晶の原子は整然と繰り返す パターンに並んでいます このパターンこそ 結晶の決定的な特徴であり これは鉱物に限りません 砂 氷 砂糖 チョコレート セラミックス 金属 DNA さらには ある種の液体も 結晶構造を持ちます
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.
結晶における 原子の並び方は 大きく6つに分けられます 立方晶系 正方晶系 直方晶系 単斜晶系 三斜晶系 六方晶系です 適切な環境下であれば 結晶は原子の配列に応じた 幾何学的な形へと成長します 方鉛鉱の場合 立方晶系の構造を持ち 鉛と硫黄から構成されています 比較的大きな鉛原子は 互いが90度の角度で接する 3次元格子状に並びます 比較的小さな硫黄原子は 鉛の隙間にうまく納まります 結晶が成長するにつれ これらの場所に硫黄原子が引き寄せられ これらの場所に鉛原子が 結び付きます そのようにして結合した原子が 格子を形作ります 90度の格子になった 方鉛鉱結晶の構造は 結晶の見た目の形にも 反映されています
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.
一方で石英は六方晶系の 結晶構造を持っています 平面で見ると 六角形に並んでいます 立体的には この六角形はたくさんの 三角錐を敷き詰めてできたもので 各三角錐は1つの珪素原子と 4つの酸素原子からできています 石英に特徴的な形は 先端が尖った 六角柱です
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.
環境条件に応じて 多くの結晶は複数の 幾何学的な形状を取り得ます たとえばダイアモンドは マントルの奥深くで形成されますが 立方晶系の結晶構造を持ち 立方体か八面体へと成長します どちらの形になるかは 圧力 温度 化学的な環境 といった 成長する際の条件に 依存します マントル内の成長条件を 直接観察はできませんが 実験室で得られた結果では 低温では立方体に 高温では八面体になる 傾向があります 微量の水 珪素 ゲルマニウム マグネシウムの存在も ダイアモンドの形に影響します ダイアモンドが宝石店で見られるような形へと 自然に成長することはなく あれは燦めきと透明度が出るよう 人為的にカットされたものです
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.
環境条件によって結晶ができたり できなかったりもします ガラスは溶かした珪砂から 作られますが 結晶にはなっていません ガラスは比較的急速に 冷やされるため 石英の整然とした結晶構造へと 原子が整列する暇がなく 溶けたガラス中の 原子が乱雑に並んだ状態が そのまま固定化されて しまうのです 多くの結晶は幾何学的な形を 形成しませんが
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.
これは他の結晶と混在する中で 成長するためです 花崗岩のような岩石には 結晶がたくさん含まれますが それと分かるような 形はしていません マグマが冷えて固まるとき 様々な鉱物が同時に結晶化し 隙間がすぐに埋まってしまうのです トルコ石のような結晶では たとえ十分な空間があっても ほとんどの環境条件下で それと分かるような 幾何学的形状には成長しません
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.
それぞれの結晶の構造には 独特な性質があり 人間の感性に訴えるような ものではなくとも 材料科学や医学で 役立っているのです