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.
Глибоко під гейзерами й гарячими джерелами Єллоустоунської кальдери лежить магматична комора, утворена гарячою точкою у земній мантії. Рухаючись в бік земної поверхні, магма кристалізується та утворює молоді магматичні породи. Тепло, що виділяється цими породами, змушує підземні води рухатися вгору. При охолодженні води іони осідають на стінках каналів у вигляді кристалів: як-от кристали кварцу, що складаються з іонів силіцію та оксигену, польового шпату — з іонів кальцію, алюмінію, силіцію та оксигену, галеніту — з іонів плюмбуму та сульфуру.
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?
Більшість цих кристалів мають свою унікальну форму: як ось цей каскад шпилястого кварцу або це скупчення кубічного галеніту. Але чому ці кристали формують такі фігури знову і знову?
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.
Відповідь криється в їхніх атомах. Атоми кристалів утворюють чітко організовану та повторювану структуру. Це і є визначальною особливістю кристалів, до яких належать не тільки мінерали. Пісок, лід, цукор, шоколад, кераміка, метали, ДНК та навіть деякі рідини — усі вони мають кристалічну будову.
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.
Кристалічні ґратки, які формують атоми певного матеріалу, можна розділити на шість груп: кубічна, тетрагональна, ромбічна, моноклінна, тригональна та гексагональна. За сприятливих умов кристали виростають у певну геометричну фігуру, якій відповідає розміщення атомів всередині них. Галеніт, що має форму куба, складається з атомів плюмбуму та сульфуру. Достатньо великі атоми плюмбуму розміщуються в тривимірну ґратку під кутом 90° один до одного, тоді як порівняно малі атоми сульфуру розташовуються точнісінько між ними. З ростом кристалу такі конструкції приваблюють інші атоми сульфуру, тоді як плюмбум буде зв'язувати їх між собою. Зрештою утвориться суцільна ґратка зв'язаних між собою атомів. Це означає, що прямокутна модель кристалічної ґратки галеніту повністю відтворює характерну для цього кристала 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, з іншого боку, має гексагональну кристалічну форму. Це означає, що його атоми утворюють правильний шестикутник. У тривимірному просторі ці шестикутники утворені купою взаємопов'язаних пірамід, що складаються з одного атома силіцію та чотирьох атомів оксигену. Таким чином характерною формою кристалів кварцу є шестикутник, загострений на кінцях.
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.
Залежно від умов середовища більшість кристалів можуть утворювати різноманітні геометричні форми. Наприклад, алмази, які народжуються глибоко в земній мантії, мають кубічну кристалічну ґратку, але вони також можуть виростати і в октаедри. Форму, яку матиме алмаз, визначають умови, в яких він зростає: тиск, температура та хімічне середовище. Оскільки не можливо безпосередньо спостерігати ріст кристалу в мантії, були проведені дослідження, які виявили, що алмази схильні мати кубічну форму при низьких температурах та октаедричну — при високих. Навіть незначна кількість води, силіцію, германію чи магнію може також впливати на те, яким буде той чи інший алмаз. До речі, природні алмази ніколи не мають такої форми, яку можна знайти в прикрасах. Такі алмази обробляють та відшліфовуюють до блиску для вітрин ювелірних магазинів.
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.
Навколишнє середовище також може впливати на структуру кристала. Скло виробляють із розплавленого кварцового піску, але це не є кристалом, бо скло охолоджується досить швидко, а тому його атоми просто не встигають сформувати таку цільну ґратку, як у кристалів кварцу. Натомість атоми розплавленого скла розташовуються хаотично, саме через швидке охолодження.
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.
Багато кристалів не мають правильної геометричної форми, тому що ростуть надзвичайного близько один до одного. Граніти, наприклад, рясніють кристалами, але жоден із них не має правильної форми. Коли магма охолоджується та застигає, мінерали всередині кристалізуються так само, стикаючись один з одним. Деякі кристали, такі як бірюза, не утворюють якоїсь впізнаваної форми за звичайних умов, навіть якщо для цього достатньо простору.
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.
Кожна кристалічна система має свої унікальні особливості, і якщо ці особливості не в змозі задовольнити наші естетичні потреби, вони можуть бути успішно використані в науці та медицині.