Глубоко под гейзерами и горячими источниками Йеллоустона находится магматическая камера, созданная горячей точкой в мантии Земли. Когда магма движется к поверхности, она кристаллизуется, образуя молодые горячие магматические породы. Тепло от этих пород выталкивает грунтовые воды на поверхность.
Когда вода охлаждается, ионы осаждаются в виде кристаллов минералов, в том числе кристаллов кварца из кремния и кислорода, полевого шпата из калия, алюминия, кремния и кислорода, галенита из свинца и серы.
Многие из этих кристаллов имеют отличительные формы. Кварц имеет остроконечную форму, галенит – кубическую. Но что заставляет их снова и снова превращаться в эти формы?
Атомы – часть ответа.
Атомы каждого кристалла расположены в строго организованном повторяющемся узоре. Этот узор является определяющей чертой кристалла и не ограничивается минералами. Песок, лед, сахар, шоколад, керамика, металлы, ДНК и даже некоторые жидкости имеют кристаллическую структуру.
Расположение атомов каждого кристаллического материала относится к одному из шести различных семейств: кубических, тетрагональных, орторомбических, моноклинных, триклинных и гексагональных. При соответствующих условиях кристаллы вырастут в геометрические формы, отражающие расположение их атомов.
Галенит и кварц для примера.
Возьмем галенит, который имеет кубическую структуру, состоящую из атомов свинца и серы. Относительно крупные атомы свинца расположены в трехмерной сетке под углом 90 градусов друг к другу, в то время как относительно небольшие атомы серы аккуратно помещаются между ними. По мере роста кристалла такие места притягивают атомы серы. В то время как свинец будет иметь тенденцию связываться с этими местами, в конечном итоге они завершат сетку связанных атомов. 90-градусная сетка кристаллической структуры галенита отражается в видимой форме кристалла.
Между тем кварц имеет гексагональную кристаллическую структуру. Это означает, что на одной плоскости его атомы расположены в виде шестиугольников в трех измерениях. Эти шестиугольники состоят из множества взаимосвязанных пирамид, состоящих из одного атома кремния и четырех атомов кислорода. Таким образом, отличительная форма кристалла кварца представляет собой шестигранную колонну с заостренными концами.
Влияние окружающий среды.
В зависимости от условий окружающей среды большинство кристаллов могут образовывать несколько геометрических форм. Например, алмазы, образующиеся глубоко в мантии Земли, имеют кубическую кристаллическую структуру и могут расти как в кубы, так и в октаэдры. Форма, в которую вырастает конкретный алмаз, зависит от условий среды, включая давление, температуру и химическую среду. Хотя мы не можем напрямую наблюдать условия роста в мантии, лабораторные эксперименты показали, что алмазы имеют тенденцию расти в кубы при более низких температурах и в октаэдры при более высоких температурах.
Следовые количества воды, кремния, германия или магния также могут влиять на форму бриллиантов. Бриллианты никогда естественным образом не вырастают до форм, используемых в ювелирных изделиях. Они были огранены, чтобы продемонстрировать блеск и чистоту.
Стекло сделано из расплавленного кварцевого песка, но оно не является кристаллическим. Это связано с тем, что стекло относительно быстро остывает, и атомы не успевают выстроиться в упорядоченную структуру кристалла кварца. Вместо этого случайное расположение атомов в расплавленном стекле фиксируется при охлаждении.
Многие кристаллы не образуют геометрических форм, потому что они растут в очень тесном контакте с другими кристаллами. Гранит и камни, полны кристаллов, но ни один из них не имеет узнаваемой формы. По мере того как магма остывает и затвердевает, многие минералы в ней кристаллизуются одновременно и быстро заканчиваются.
Заключение.
Даже при достаточном пространстве атомная структура каждого кристалла обладает уникальными свойствами. И хотя эти свойства, возможно, не имеют никакого отношения к эмоциональным потребностям человека, они имеют мощное применение в материаловедении и медицине.