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.
Sâu dưới mạch phun của hồ nước nóng tại miệng núi lửa Yellowstone là một buồng magma được hình thành trên điểm nóng của lớp vỏ trái đất. Khi bị đẩy lên mặt đất, magma kết tinh thành đá lửa nóng. Sức nóng của đá lửa đẩy nước ngầm lên bề mặt. Khi nước nguội, ion lắng xuống tạo thành tinh thể khoáng, như thạch anh được tạo thành từ silic và oxy, tràng thạch từ kali, nhôm, silic và oxy galen từ chì và lưu huỳnh.
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?
Hầu hết các tinh thể đều có hình dạng đặc trưng, như thác thạch anh sắc nhọn, hay khối galena này. Vậy tại sao cấu trúc tinh thể lại tuần hoàn trong không gian?
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.
Một phần là do nguyên tử. Trong tinh thể, nguyên tử sắp xếp theo trật tự xác định và tuần hoàn. Cấu trúc này tạo nên tính chất đặc trưng của tinh thể, không chỉ đúng với khoáng vật, cát, nước đá, đường, sôcôla, gốm sứ, kim loại, DNA, và thậm chí, một số loại chất lỏng cũng có cấu trúc này.
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.
Tùy theo sự sắp xếp trong các ô mạng, tinh thể được xếp vào một trong sáu hệ sau: lập phương, tứ phương, trực thoi, một nghiêng, ba nghiêng và lục phương. Ở điều kiện thích hợp, tinh thể sẽ phát triển tạo thành các dạng hình học phản ánh cách sắp xếp nguyên tử bên trong chúng. Lấy galen có cấu trúc lập phương, cấu thành từ chì và lưu huỳnh làm ví dụ. Các nguyên tử chì tương đối lớn nằm tại các đỉnh của hình lập phương, các nguyên tử lưu huỳnh tương đối nhỏ, nên nằm vừa khít trong tâm chúng. Khi tinh thể phát triển, những vị trí này thu hút lưu huỳnh đến lấp đầy các lỗ hổng, còn chì lại có xu hướng nằm tại các đỉnh mạng. Cuối cùng, chúng sẽ xếp đầy các ô mạng. Nghĩa là cấu trúc lập phương của tinh thể galen được phản ánh trong hình dạng tinh thể.
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.
Trong khi đó, thạch anh có dạng lục phương. Nghĩa là trên một lớp, nguyên tử chúng xếp theo hình lục giác. Trong không gian, các lục giác này gồm nhiều tứ diện lồng ghép vào nhau. Mỗi tứ diện gồm một nguyên tử silic liên kết với bốn nguyên tử oxy. Do đó, thạch anh có dạng lăng trụ sáu mặt với các đỉnh nhọn.
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.
Tùy vào điều kiện môi trường, hầu hết tinh thể có thể kết tinh tạo thành nhiều dạng hình học khác nhau. Ví dụ, kim cương hình thành sâu trong lớp vỏ trái đất có cấu trúc lập phương, có thể phát triển thành dạng lập phương hoặc khối bát diện. Hình dạng của kim cương phụ thuộc vào điều kiện kết tinh như áp suất, nhiệt độ, và môi trường. Dù không thể quan sát kim cương phát triển tại lớp mantle, các thí nghiệm cho thấy dạng lập phương hình thành ở điều kiện nhiệt độ thấp hơn khối bát diện. Hàm lượng nước, silic, gecmani hoặc magiê cũng ảnh hưởng đến dạng kim cương. Kim cương tự nhiên có hình dạng khác với kim cương trong trang sức, những viên kim cương này đã được cắt giũa để phơi bày sự lấp lánh và tinh khiết.
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.
Điều kiện môi trường cũng ảnh hưởng đến sự hình thành tinh thể. Thủy tinh được tạo thành bằng cách nấu chảy cát silic, nhưng lại không phải là tinh thể. Vì thủy tinh nguội tương đối nhanh, nguyên tử không có đủ thời gian để tự sắp xếp lại theo cấu trúc trật tự tuần hoàn của tinh thể thạch anh. Nguyên tử bị cố định vị trí trong quá trình làm lạnh. Nhiều tinh thể không thể phát triển thành dạng hình học của nó
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.
do quá gần với các tinh thể khác. Các loại đá như đá granit, dù có cấu trúc tinh thể, vẫn không có dạng hình học xác định. Khi magma nguội và đông lại, nhiều khoáng chất kết tinh cùng lúc khiến không còn không gian phát triển. Một vài loại tinh thể như ngọc lam, trong hầu hết các điều kiện, không tạo thành dạng hình học cụ thể nào, ngay cả khi có đủ không gian phát triển. Mỗi hệ tinh thể có tính chất đặc trưng,
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.
dù không có ý nghĩa trên phương diện tình cảm con người, các tính chất này lại có nhiều ứng dụng trong khoa học vật liệu và y học.