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.
Nas profundezas dos gêiseres e das fontes termais da Caldeira de Yellowstone, encontra-se uma câmara magmática produzida por um ponto quente no manto terrestre. Conforme o magma se move em direção à superfície da Terra, ele se cristaliza, formando rochas ígneas novas e quentes. O calor dessas rochas leva os lençóis de água à superfície. À medida que a água esfria, íons se lançam para fora como cristais minerais, que incluem cristais de quartzo, a partir de silício e oxigênio; feldspato, a partir de potássio, alumínio, silício e oxigênio; galena, a partir de 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 desses cristais têm formas características. Considere esta cascata de quartzo pontiagudo ou esta pilha de cubos de 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.
Mas o que faz com que eles desenvolvam essa forma muitas vezes? Parte da resposta está em seus átomos. Os átomos de cada cristal estão dispostos em um padrão repetitivo altamente organizado. Esse padrão é a característica que define um cristal e não está restrito a minerais. Areia, gelo, açúcar, chocolate, cerâmica, metais, DNA e até 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.
A disposição dos átomos de cada material cristalino é classificada como uma de seis famílias diferentes: cúbica, tetragonal, ortorrômbica, monoclínica, triclínica e hexagonal. Dadas as condições apropriadas, os cristais terão formas geométricas que refletem a disposição de seus átomos. Considere a galena, que tem uma estrutura cúbica composta por átomos de chumbo e enxofre. Os átomos de chumbo relativamente grandes são dispostos em uma grade tridimensional de 90 graus um do outro, enquanto os átomos de enxofre relativamente pequenos se encaixam perfeitamente entre eles. À medida que o cristal cresce, locais como esses atraem átomos de enxofre, enquanto o chumbo tenderá a se ligar a esses lugares. Por fim, eles completarão a grade de átomos ligados. Isso significa que o padrão de grade de 90 graus da estrutura cristalina da galena é refletido 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.
O quartzo, entretanto, tem uma estrutura cristalina hexagonal. Isso significa que, em um plano, seus átomos estão dispostos em hexágonos. Em três dimensões, esses hexágonos são compostos por muitas pirâmides interligadas, formadas por um átomo de silício e quatro átomos de oxigênio. Assim, a forma característica de um cristal de quartzo é uma coluna de seis lados com extremidades pontiagudas.
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.
Dependendo das condições ambientais, a maioria dos cristais tem o potencial de criar múltiplas formas geométricas. Por exemplo, os diamantes, que se formam no fundo do manto terrestre, têm uma estrutura cristalina cúbica e podem se tornar cubos ou octaedros. A forma de um diamante específico depende das condições em que ele cresce, que incluem pressão, temperatura e ambiente químico. Embora não possamos observar diretamente as condições de crescimento no manto, experimentos de laboratório mostraram algumas evidências de que os diamantes tendem a se tornar cubos, em temperaturas mais baixas, e octaedros, em temperaturas mais altas. Vestígios de água, silício, germânio ou magnésio também podem influenciar a forma de um diamante. Os diamantes nunca têm naturalmente a forma encontrada nas jóias. Esses diamantes foram lapidados para exibir o brilho e a transparência.
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 a formação de cristais. O vidro é feito de areia de quartzo derretido, mas não é cristalino. Isso porque o vidro esfria com relativa rapidez, e os átomos não têm tempo de se organizar na estrutura ordenada de um cristal de quartzo. Em vez disso, a disposição aleatória dos átomos no vidro derretido é bloqueada no resfriamento.
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 constituem formas geométricas porque crescem em quartos muito próximos com outros cristais. Rochas, como o granito, estão cheias de cristais, mas nenhuma tem formas reconhecíveis. Quando o magma esfria e solidifica, muitos minerais dentro dele se cristalizam ao mesmo tempo e ficam rapidamente sem espaço. Certos cristais, como a turquesa, não desenvolvem qualquer forma geométrica discernível na maioria das condições ambientais, mesmo com espaço adequado.
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.
A estrutura atômica de cada cristal tem propriedades únicas e, embora essas propriedades possam não ter qualquer relevância às necessidades emocionais humanas,