Głęboko pod gejzerami
i gorącymi źródłami Kaldery Yellowstone
znajduje się komora magmy
utworzona przez plamy gorąca
w płaszczu Ziemi.
Podczas ruchu ku powierzchni Ziemi
magma się krystalizuje,
tworząc młode, gorące skały magmowe.
Ciepło tych skał wypycha wody gruntowe
w kierunku powierzchni.
W miarę stygnięcia wody
jony wytrącają się w postaci
kryształów mineralnych,
w tym kryształów kwarcu z krzemu i tlenu,
skalenia z potasu, glinu, krzemu i tlenu
i galeny z ołowiu i siarki.
Wiele z tych kryształów
ma charakterystyczne kształty -
weźmy kaskadę spiczastego kwarcu
lub stos kostek galeny.
Ale co sprawia, że ciągle
przybierają takie kształty?
Część odpowiedzi leży w ich atomach.
Atomy każdego kryształu są ułożone
w zorganizowany, zwielokrotniony wzór.
który charakteryzuje kryształy,
ale nie ogranicza się do minerałów.
Piasek, lód, cukier, czekolada,
ceramika, metale, DNA,
a nawet niektóre płyny
mają krystaliczne struktury.
Układ atomowy każdego
materiału krystalicznego
należy do jednej z sześciu rodzin:
sześciennej, tetragonalnej, rombowej,
jednoskośnej, trójskośnej i sześciokątnej.
W odpowiednich warunkach
kryształy urosną w geometryczne kształty,
które odzwierciedlą układ ich atomów.
Weźmy galenę o sześciennej strukturze
złożonej z atomów ołowiu i siarki.
Względnie duże atomy ołowiu
są ułożone w trójwymiarowej siatce
pod kątem 90 stopni względem siebie,
podczas gdy stosunkowo małe atomy siarki
wpasowują się po środku.
W miarę jak kryształ rośnie,
takie miejsca przyciągają atomy siarki,
podczas gdy ołów ma tendencję
do wiązania się z tymi miejscami.
Ostatecznie uzupełnią siatkę
połączonych atomów.
Oznacza to, że 90-stopniowy wzór
siatki krystalicznej struktury galeny
odbija się w widocznym
kształcie kryształu.
Kwarc ma sześciokątną
krystaliczną strukturę.
To znaczy, że na jednej płaszczyźnie
jego atomy układają się w sześciokąty.
W trzech wymiarach sześciokąty
składają się z wielu splecionych piramid
składających się z jednego atomu
krzemu i czterech atomów tlenu.
Charakterystyczny kształt kryształu kwarcu
to sześciokątna kolumna
ze spiczastymi końcami.
W zależności od warunków otoczenia
większość kryształów może uformować
wiele geometrycznych kształtów.
Przykładowo diamenty,
powstające głęboko w płaszczu Ziemi,
mają sześcienną krystaliczną strukturę
i rosną w kostki lub ośmiościany.
Kształt, w jaki wyrasta dany diament,
zależy od warunków jego wzrostu,
w tym ciśnienia, temperatury
i środowiska chemicznego.
Choć nie możemy obserwować
ich wzrostu w płaszczu Ziemi,
eksperymenty laboratoryjne
częściowo dowiodły,
że diamenty mają tendencję formowania
kostek w niższych temperaturach
i ośmiościanów w wyższych temperaturach.
Śladowe ilości wody, krzemu,
germanu lub magnezu
mogą też wpływać na kształt diamentu.
Diamenty nigdy nie wyrastają w naturze
w kształty spotykane w biżuterii.
Przycina się je tak, żeby uwidocznić
ich blask i przejrzystość.
Warunki środowiskowe mogą też wpłynąć
na to, czy w ogóle tworzą się kryształy.
Szkło składa się ze stopionego
piasku kwarcowego,
ale nie jest krystaliczne.
Jest tak dlatego, że szkło
ochładza się dość szybko,
a atomy nie mają czasu
na uporządkowanie się
w strukturę kryształu kwarcu.
Zamiast tego losowe rozmieszczenie
atomów w stopionym szkle
zostaje utrwalone podczas chłodzenia.
Wiele kryształów nie tworzy
geometrycznych kształtów,
bo rośnie bardzo blisko innych kryształów.
Skały takie jak granit
są pełne kryształów,
ale żaden z nich nie ma
rozpoznawalnych kształtów.
Gdy magma stygnie i krystalizuje,
wiele minerałów krystalizuje jednocześnie
i szybko zaczyna im brakować miejsca.
Niektóre kryształy, takie jak turkus,
nie formują żadnych wyraźnych kształtów
w większości warunków środowiskowych,
nawet przy wystarczającej przestrzeni.
Struktura atomowa każdego kryształu
ma unikalne właściwości.
Choć właściwości te mogą nie zaspokajać
ludzkich potrzeb emocjonalnych,
mają potężne zastosowanie
w materiałoznawstwie i medycynie.