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.
Глубоко под гейзерами и горячими источниками Йеллоустонской кальдеры залегает магматическая камера, образовавшаяся благодаря горячей точке в мантии Земли. По мере движения магмы к поверхности Земли, она кристаллизуется, образуя новые горячие вулканические породы. Тепло от этих пород выталкивает грунтовые воды на поверхность. По мере остывания воды, ионы оседают в виде минеральных кристаллов, в том числе кристаллов кварца из кремния и кислорода, полевого шпата из калия, алюминия, кремния и кислорода,
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?
галенита из свинца и серы. Многие из этих кристаллов имеют характерную форму — например друза заострённого кварца или кубические сингонии галенита.
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.
Но что заставляет их постоянно принимать одну и ту же форму? Ответ частично заключается в структуре их атомов. Атомы любого кристалла образуют строго структурированную, повторяющуюся укладку. Эта укладка является определяющей особенностью кристалла и не ограничивается лишь минералами. Кристаллическую структуру имеют песок, лёд, сахар, шоколад, керамика, металлы, ДНК и даже некоторые жидкости.
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.
Атомная структура любого кристаллического материала относится к одной из шести групп: кубической, тетрагональной, ромбической, моноклинной, триклинной и гексагональной. При благоприятных условиях кристаллы вырастут и приобретут геометрические формы, соответствующие расположению их атомов. Так, галенит имеет кубическую структуру, состоящую из атомов свинца и серы. Относительно крупные атомы свинца расположены в трёхмерной сетке под углом 90 градусов друг к другу, а между ними аккуратно помещаются относительно небольшие атомы серы. По мере роста кристалла такие участки притягивают атомы серы, в то время как свинец их связывает. В конце концов вся сетка связанных атомов будет заполнена. Это означает, что 90-градусная сетка кристаллической структуры галенита придаёт кристаллу его видимую форму.
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.
Кварц имеет гексагональную кристаллическую структуру. Это означает, что на плоскости его атомы расположены в шестиугольниках. В трёхмерном пространстве шестиугольники являются набором взаимосвязанных пирамид, состоящих из одного атома кремния и четырёх атомов кислорода. Таким образом, характерная форма кристалла кварца представляет собой шестигранную колонну с заострёнными концами.
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.
В зависимости от условий окружающей среды, многие кристаллы стремятся принять одну из нескольких геометрических форм. Например, бриллианты, которые образуются глубоко в мантии Земли, имеют кубическую структуру и вырастают либо в кубы, либо в октаэдры. Форма каждого конкретного бриллианта зависит от условий, в которых он растёт, включая давление, температуру и химическую среду. Хотя мы не можем непосредственно наблюдать условия роста в мантии, в ходе лабораторных экспериментов получены доказательства, что бриллианты склонны вырастать в кубы при более низких температурах и в октаэдры — при более высоких температурах. Незначительное количество воды, кремния, германия или магния тоже может влиять на форму бриллианта. В естественных условиях бриллианты никогда не приобретут формы драгоценностей: ювелиры специально обтачивают их, обнажая прозрачность и блеск.
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.
В некоторых условиях окружающей среды кристаллы вовсе не образуются. Стекло изготавливают из расплавленного кварцевого песка, но оно не обладает кристаллической решёткой. Это происходит, потому что стекло остывает относительно быстро, и атомы не успевают расположиться в упорядоченную структуру кристалла кварца. Вместо этого случайное расположение атомов в расплавленном стекле закрепляется при охлаждении.
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.
Многие кристаллы не образуют геометрических форм, потому что растут в непосредственной близости от других кристаллов. Горные породы, подобные граниту, полны кристаллов, которые не принимают узнаваемой формы. По мере остывания и затвердевания магмы минералы кристаллизуются параллельно, быстро заполняя свободное пространство. Некоторые кристаллы, например бирюза, в большинстве условий окружающей среды не принимают заметную форму даже при наличии достаточного пространства.
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.
Атомная структура каждого кристалла обладает уникальными свойствами, и хотя эти свойства не обязательно порадуют глаз, они могут оказаться весьма ценными для нужд науки и медицины.