Как устроены кристаллы? — Грэм Бэйрд

Посмотреть урок полностью: https://ed.ted.com/lessons/how-do-crystals-work-graham-baird

Многие кристаллы имеют характерную форму, например заострённый кварц или кубики галенита. Атомы любого кристалла образуют строгую, повторяющуюся укладку. Причём это свойство присуще не только минералам — схожей кристаллической структурой обладают песок, лёд, металлы и ДНК. Что же заставляет их принимать эту форму? Грэм Бэйрд подробно изучит уникальные свойства кристаллов.

Урок — Грэм Бэйрд, мультипликация — Франц Паломарес.

Глубоко под гейзерами и горячими
источниками Йеллоустонской кальдеры

залегает магматическая камера,

образовавшаяся благодаря
горячей точке в мантии Земли.

По мере движения магмы
к поверхности Земли,

она кристаллизуется, образуя новые
горячие вулканические породы.

Тепло от этих пород выталкивает
грунтовые воды на поверхность.

По мере остывания воды, ионы оседают
в виде минеральных кристаллов,

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 характерную форму —

например друза заострённого кварца
или кубические сингонии галенита.

Но что заставляет их постоянно
принимать одну и ту же форму?

Ответ частично заключается
в структуре их атомов.

Атомы любого кристалла образуют строго
структурированную, повторяющуюся укладку.

Эта укладка является определяющей
особенностью кристалла

и не ограничивается лишь минералами.

Кристаллическую структуру имеют

песок, лёд, сахар, шоколад, керамика,
металлы, ДНК и даже некоторые жидкости.

Атомная структура любого
кристаллического материала

относится к одной из шести групп:

кубической, тетрагональной, ромбической,
моноклинной, триклинной и гексагональной.

При благоприятных условиях

кристаллы вырастут и приобретут
геометрические формы,

соответствующие расположению их атомов.

Так, галенит имеет кубическую структуру,
состоящую из атомов свинца и серы.

Относительно крупные атомы свинца

расположены в трёхмерной сетке
под углом 90 градусов друг к другу,

а между ними аккуратно помещаются
относительно небольшие атомы серы.

По мере роста кристалла
такие участки притягивают атомы серы,

в то время как свинец их связывает.

В конце концов вся сетка
связанных атомов будет заполнена.

Это означает, что 90-градусная сетка
кристаллической структуры галенита

придаёт кристаллу его видимую форму.

Кварц имеет гексагональную
кристаллическую структуру.

Это означает, что на плоскости
его атомы расположены в шестиугольниках.

В трёхмерном пространстве шестиугольники
являются набором взаимосвязанных пирамид,

состоящих из одного атома кремния
и четырёх атомов кислорода.

Таким образом, характерная
форма кристалла кварца

представляет собой шестигранную
колонну с заострёнными концами.

В зависимости от условий окружающей среды,

многие кристаллы стремятся принять
одну из нескольких геометрических форм.

Например, бриллианты, которые
образуются глубоко в мантии Земли,

имеют кубическую структуру
и вырастают либо в кубы, либо в октаэдры.

Форма каждого конкретного бриллианта

зависит от условий, в которых он растёт,

включая давление, температуру
и химическую среду.

Хотя мы не можем непосредственно
наблюдать условия роста в мантии,

в ходе лабораторных экспериментов
получены доказательства,

что бриллианты склонны вырастать
в кубы при более низких температурах

и в октаэдры — при более
высоких температурах.

Незначительное количество воды,
кремния, германия или магния

тоже может влиять на форму бриллианта.

В естественных условиях бриллианты никогда
не приобретут формы драгоценностей:

ювелиры специально обтачивают их,
обнажая прозрачность и блеск.

В некоторых условиях окружающей среды
кристаллы вовсе не образуются.

Стекло изготавливают
из расплавленного кварцевого песка,

но оно не обладает
кристаллической решёткой.

Это происходит, потому что стекло
остывает относительно быстро,

и атомы не успевают расположиться

в упорядоченную структуру
кристалла кварца.

Вместо этого случайное расположение
атомов в расплавленном стекле

закрепляется при охлаждении.

Многие кристаллы не образуют
геометрических форм,

потому что растут в непосредственной
близости от других кристаллов.

Горные породы, подобные граниту,
полны кристаллов,

которые не принимают узнаваемой формы.

По мере остывания и затвердевания магмы

минералы кристаллизуются параллельно,
быстро заполняя свободное пространство.

Некоторые кристаллы, например бирюза,

в большинстве условий окружающей среды
не принимают заметную форму

даже при наличии
достаточного пространства.

Атомная структура каждого кристалла
обладает уникальными свойствами,

и хотя эти свойства
не обязательно порадуют глаз,

они могут оказаться весьма ценными
для нужд науки и медицины.