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.