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.
Yellowstone Kalderası'nın gayzerleri ve kaplıcalarının derinliklerinde dünyanın mantosundaki sıcak nokta tarafından üretilen magma ocağı yatar. Magma yeryüzüne doğru hareket ettikçe genç volkanik kayalar oluşturmak için kristalleşir. Bu kayaların ısısı, yer altı suyunu yeryüzüne doğru hareket ettirir. Su soğudukça iyonlar, oksijen ve silikondan kuvars kristalleri, potasyum, alüminyum, silikon ve oksijenden feldspat, kurşun ve kükürtten galenit, mineral kristaller olarak yağarlar.
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?
Bu kristallerin çoğunun belirli şekilleri vardır— mesela bu sivri kuvars şelalesi veya bu galenit küpü yığını. Peki defalarca bu şekillere dönüşmelerine ne sebep olur?
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.
Cevabın bir kısmı atomlarında saklı. Kristallerin atomları hayli düzenli, yinelenen bir kalıptan oluşur. Bu kalıp, bir kristalin tanımlayıcı özelliğidir ve minerallerle sınırlı değildir— kum, buz, şeker, çikolata, seramikler, metaller, DNA, ve bazı sıvıların bile kristalli yapıları vardır.
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.
Her kristalli maddenin atomik düzenlemesi altı farklı aileden birine denk düşer: kübik, dörtgen, ortofobik, monoklinik, triklinik ve altıgensel. Uygun şartlar altında kristaller, atomlarının düzenlemesini yansıtan geometrik şekillere dönüşürler. Örneğin, kurşun ve kükürt atomlarından oluşan kübik yapıdaki galenit. Nispeten büyük kurşun atomları, üç boyutlu ve birbirlerine 90 derece olarak düzenlenmişken nispeten küçük kükürt atomları, aralarına düzgünce sığar. Kristal büyüdükçe kurşun bu yerlere bağlanacak iken bu gibi yerler kükürt atomlarını çekerler. Neticede bağlanmış atomların ağını tamamlayacaktırlar. Bu, galenitin kristalli yapısının 90 derecelik ağ modelinin kristalin görünür biçiminde yansıtıldığı anlamına gelir.
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.
Aynı zamanda kuvars altıgen kristalli yapıya sahiptir. Bu, bir yassıda atomlarının altıgenlerle düzenlendiği anlamına gelir. Üç boyutlularda, bu altıgenler bir silikon ve dört oksijen atomlarından— meydana gelen, birbirine kenetli piramitlerden oluşurlar. Yani, kuvars kristalinin imza şekli sivri uçları olan altı yönlü bir sütundur.
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.
Çevresel koşullara bağlı olarak çoğu kristalin birçok geometrik şekli oluşturma potansiyeli vardır. Örneğin, yerkürenin mantosunun derininde oluşan elmaslar, kübik kristalli bir yapıya sahiptir ve küp ya da sekizyüzlü haline gelebilirler. Bu da belli bir elmasın ne hale geleceğini oluştuğu yerdeki basınç, ısı ve kimyasal çevre faktörlerine bağlı olarak şekillendirir. Mantodaki oluşma durumlarını doğrudan gözlemleyemesek de laboratuvar deneyleri elmasların düşük ısılarda küplere, yüksek ısılarda sekizyüzlülere dönüşmeye meyilli olduğu gibi bazı kanıtlar göstermekte. Eser miktarda su, silikon, germanyum ya da magnezyum da ayrıca elmasın şeklini etkileyebilir. Elmaslar, doğal olarak mücevherlerde bulunan şekillere dönüşmezler— bu elmaslar vitrin pırıltısı ve berraklığına göre kesilmiştirler.
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.
Çevresel koşullar da kristallerin oluşup oluşmayacağını etkiler. Cam, erimiş kuvars kumlarından oluşur ama kristalli değildir. Çünkü cam nispeten daha hızlı soğur ve atomların kendilerini kuvars kristalinin sıralı yapısında düzenleyecek vakitleri yoktur. Yerine, atomların erimiş camdaki rastgele düzenlemeleri soğumada kilitli kalır.
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.
Çoğu kristalin geometrik şekli yoktur çünkü diğer kristallere aşırı derecede yakın yerlerde oluşurlar. Granit gibi taşlar kristallerle doludur ama hiçbirinin tanınmış şekli yoktur. Magma soğudukça ve sertleştikçe içerisindeki çoğu mineral aynı zamanda kristalleşir ve hızla alanları tükenir. Turkuaz gibi belirli kristaller, çoğu çevresel koşulda yeterli boşluk verilse de görülebilir geometrik şekillere dönüşmezler.
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.
Her kristalin atomik yapısı eşsiz özelliklere sahiptir ve bunların insanların duygusal ihtiyaçlarında bir etkisi olmasa da malzeme bilimi ve tıpta güçlü uygulamaları vardır.