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.