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.
Muito abaixo dos geiseres e das fontes termais da Caldeira de Yellowstone há uma câmara de magma produzida por uma fonte de calor no manto da Terra. Quando o magma se move na direção da superfície da Terra, cristaliza-se e forma rochas jovens, quentes e ígneas. O calor destas rochas impele a água subterrânea para a superfície. À medida que a água arrefece, os iões precipitam-se, sob a forma de cristais minerais, incluindo cristais de quartzo formados por silício e oxigénio, feldspato formado por potássio, alumínio, silício e oxigénio, galena formado por chumbo e enxofre.
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?
Muitos destes cristais têm formas exclusivas — reparem nesta cascata de quartzo pontiagudo ou nesta pilha de cubos de galena. Mas o que é que faz com que eles cresçam sempre com estas formas?
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.
Uma parte da resposta reside nos seus átomos. Os átomos de cada cristal estão dispostos num padrão repetitivo, altamente organizado. Esse padrão é a característica que define um cristal e não se restringe aos minerais — a areia, o gelo, o açúcar, o chocolate, a cerâmica, os metais, o ADN, e mesmo alguns líquidos, têm estruturas cristalinas.
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.
Cada arranjo atómico de um material cristalino cai numa de seis diferentes famílias: cúbico, tetragonal, ortorrômbico, monoclínico, triclínico e hexagonal. Segundo as condições apropriadas, os cristais crescerão em formas geométricas que refletem o arranjo dos seus átomos. A galena tem uma estrutura cúbica, formada por átomos de chumbo e enxofre. Os átomos de chumbo, relativamente grandes, estão arranjados numa grelha 3D, a 90 graus uns dos outros, enquanto os átomos de enxofre, relativamente pequenos, se encaixam entre eles. Quando o cristal cresce, os locais como estes atraem os átomos de enxofre, enquanto o chumbo tenta ligar estes locais. Por fim, completam a grelha de átomos ligados. Isso significa que o padrão da grelha de 90 graus da estrutura cristalina da galena reflete-se na forma visível do cristal.
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.
Entretanto, o quartzo tem uma estrutura cristalina hexagonal. Isso significa que, num plano, os átomos estão arranjados em hexágonos. Em 3D, estes hexágonos são formados por muitas pirâmides interligadas, feitas de um átomo de silício e quatro átomos de oxigénio. Assim, a forma característica de um cristal de quartzo é uma coluna de seis lados com pontas aguçadas.
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.
Consoante as condições ambientais, a maioria dos cristais pode formar múltiplas formas geométricas. Por exemplo, os diamantes, que se formam profundamente no manto da Terra, têm uma estrutura cristalina cúbica e podem crescer em cubos ou octaedros. A forma como um determinado diamante cresce depende das condições do local onde cresce, incluindo a pressão, a temperatura, e o ambiente químico. Embora não possamos observar diretamente as condições de crescimento no manto, experiências laboratoriais mostraram-nos prova de que os diamantes tendem a crescer em cubos a temperaturas mais baixas e em octaedros, a temperaturas mais altas. Pequenas quantidades de água, silício, germânio ou magnésio também podem influenciar a forma de um diamante. Os diamantes nunca crescem naturalmente nas formas que aparecem nas joalharias — esses diamantes foram lapidados para exibirem chispas e luminosidade.
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.
As condições ambientais também podem influenciar onde os cristais se formam. O vidro é feito de pó de quartzo derretido mas não é cristalino. Isso porque o vidro arrefece relativamente depressa e os átomos não têm tempo para se organizarem na estrutura ordenada de um cristal de quartzo. Em vez disso, o arranjo aleatório dos átomos no vidro derretido fica aprisionado durante o arrefecimento.
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.
Muitos cristais não formam formas geométricas porque crescem em locais demasiado perto de outros cristais. Rochas como o granito estão cheias de cristais mas nenhum deles com formas reconhecíveis. Quando o magma arrefece e se solidifica, muitos minerais dentro dele cristalizam ao mesmo tempo e ficam rapidamente sem espaço. Alguns cristais, como a turquesa, não crescem em qualquer forma geométrica reconhecível na maioria das condições ambientais,
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.
mesmo que tenham espaço adequado. A estrutura atómica de cada cristal tem propriedades únicas, e, embora essas propriedades possam não ter qualquer influência nas necessidades humanas emocionais,