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.
Adânc sub gheizerele şi izvoarele termale ale calderei din Yellowstone, e o cameră de magmă produsă de un punct fierbinte din mantaua Pământului. Pe măsură ce magma se îndreaptă spre suprafața Pământului, aceasta se cristalizează pentru a forma roci vulcanice tinere. Căldura acestor roci împinge apa freatică spre suprafață. Pe măsură ce apa se răceşte, ionii precipită în cristalele minerale, precum cristale de cuarț din silicon şi oxigen, feldspat din potasiu, aluminiu, silicon şi oxigen, galenă din plumb şi sulf.
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?
Multe dintre aceste cristale au o forme specifice, precum acest cuarț ascuțit sau aceste cuburi de galenă. Dar ce determină crearea lor în aceste forme iar și iar?
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.
O parte a răspunsului stă în atomii lor. Fiecare atom al cristalului e aranjat după un tipar repetitiv. Acest tipar e trăsătura definitorie a unui cristal și nu se limitează doar la minerale: nisipul, gheaţa, zahărul, ciocolata, ceramica, metalul, ADN-ul şi chiar unele lichide au structuri cristaline.
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.
Fiecare aranjare atomică a materialului cristalin se încadrează într-una dintre cele şase familii diferite: cubică, tetragonală, ortorombică, monoclinică, triclinică și hexagonală. În condițiile corespunzătoare, cristalele vor creşte în figuri geometrice care reflectă aranjarea atomilor lor. De exemplu galena, care are o structură cubică compusă din plumb şi atomi de sulf. Atomii de plumb relativ mari sunt aranjaţi într-o reţea tridimensională la 90 de grade, în timp ce atomii de sulf relativi mici se potrivesc perfect între ei. Pe măsură ce cristalul crește, locuri ca acestea atrag atomii de sulf, în timp ce plumbul va tinde să se lege de aceste locuri. Până la urmă, vor completa rețeaua de atomi. Înseamnă că tiparul reţelei de 90 de grade a structurii cristaline a galenei se reflectă în forma vizibilă a cristalului.
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.
Însă cuarţul are o structură cristalină hexagonală. Asta înseamnă că atomii sunt aranjaţi în hexagoane. În trei dimensiuni, acesta e compus din multe piramide interconectate, alcătuite dintr-un atom de silicon și patru atomi de oxigen. Deci forma tipică a cristalului de cuarţ e o coloană cu şase laturi cu vârfuri ascuţite.
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.
În funcție de condiţiile mediului, majoritatea cristalelor au potenţialul de a crea multiple figuri geometrice. De exemplu, diamantele ce se formează adânc în mantaua Pământului, au o structură cristalină cubică și creează fie cuburi, fie octaedre. Forma în care se dezvoltă un anumit diamant depinde de condiţiile în care creşte, inclusiv de presiunea, temperatura și mediul chimic. Chiar dacă nu putem observa direct condițiile de creștere în manta, experimentele din laborator au demonstrat că diamantele tind să crească în cuburi la temperaturi mai mici şi în octaedru la temperaturi înalte. Urmele de apă, silicon, germaniu sau magneziu ar putea influenţa forma diamantului. Și diamantele nu cresc niciodată în forma celor din bijuterii; acele diamante au fost tăiate pentru a etala strălucire şi claritate.
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.
Condițiile mediului pot influența dacă se vor forma sau nu cristalele. Sticla e compusă din nisip de cuarţ topit, dar aceasta nu e cristalină. Asta pentru că sticla se răceşte relativ repede şi atomii nu au timp să se aranjeze singuri în structura cristalului de cuarţ. În schimb, aranjarea la întâmplare a atomilor în sticla topită e blocată în momentul răcirii.
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.
Multe cristale nu formează figuri geometrice fiindcă cresc extrem de aproape de alte cristale. Rocile precum granitul sunt pline de cristale, dar niciuna nu are o formă anume. Odată ce magma se răceşte şi se solidifică, multe minerale se cristalizează în acelaşi timp şi rămân rapid fără spaţiu. Anumite cristale, precum turcoazul, nu creează figuri geometrice în majoritatea condițiilor de mediu, chiar şi într-un spaţiu adecvat.
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.
Fiecare structură atomică a cristalului are proprietăţi unice, și chiar dacă aceste proprietăţi nu influențează nevoile emoţionale umane, ele își găsesc aplicații importante în știință și medicină.