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.