수정은 어떻게 만들어질까요? - 그레헴 베어드(Graham Baird)

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수많은 수정들은 각자 그들만의 모양을 가집니다— 뾰족한 석영 기둥들과 정육면체의 방연석 더미처럼 말이죠. 수정들을 이루는 원자들은 독특한 결정구조를 갖습니다: 자신들만의 반복되고 잘 짜여진 패턴이 있지요. 이 패턴은 무기질에만 제한되지 않습니다- 모래, 얼음, 금속들 그리고 유전자 또한 수정같은 구조를 가집니다. 그렇다면 수정들이 이런 모양을 갖추는 이유는 무엇일까요? 그레헴 베어드는 수정의 독특한 영역들을 파고듭니다.

강의: 그레헴 베어드(Graham Baird), 감독: 프렌즈 팔로마레스 (Franz Palomares).

옐로우스톤 칼데라의 간헐천과
온천들 아래 저 깊은 곳에

지구 멘틀의 뜨거운 곳에 의해 생긴
마그마의 공간이 자리잡고 있습니다.

마그마는 지구 표면을 향해 움직이며

결정화되어 어리고 뜨거운
화성암이 만들어집니다.

이 암석들한테 나는 열은 지하수가
표면을 향하도록 만듭니다.

물이 식으면, 이온들은
미네랄수정으로 만들어져 나옵니다,

실리콘과 산소가 합쳐져 석영이되고

칼륨, 알루미늄, 실리콘, 그리고
산소가 뭉쳐 장석이 되며,

납과 황으로부터 방연석이 만들어집니다.

이 수정들 중 대부분은
특징적인 모양을 가집니다—

이 뽀족한 석영 기둥들과
정육면체의 방연석 더미들을 보세요.

무엇 때문에 이 수정들은
계속 이런 모양으로 자라나는걸까요?

대답의 일부분은
그들의 구성 원자에 있습니다.

각 수정의 원자들은 굉장히 구조적이고,
반복된 패턴으로 배열을 합니다.

이 패턴이 바로 수정의 정의적 특징이며

무기질에만 국한되지는 않습니다—

모래, 얼음, 설탕, 초코렛,
세라믹, 금속, 유전자,

그리고 심지어 액체들도
이런 결정 구조를 가집니다.

각각의 수정같은 물질들의
원자 배열은

다음과 같이
여섯개의 군으로 나눌 수 있습니다.

정육면체, 사각형, 사방정계,
단사정계, 삼사정계, 육방정계.

적절한 환경조건이 주어지면,

수정들은 그들의 원자 배열을 반영해서
기하학적인 모양으로 자랄 겁니다.

방연석을 보면 정육면체 구조로
납과 황 원자들로 이루어져 있습니다.

상대적으로 큰 납 원자들은

서로 90도로 삼차원의
격자무늬로 배열되고

상대적으로 작은 황 원자들은
그들 사이에 딱 맞게 들어갑니다.

수정이 자라면서 비슷한 이런위치에
다른 황 원자들이 끌려오고

납원자들은 이런식으로 배열됩니다.

결국 결합한 원자들로
격자무늬가 완성됩니다.

방연석이가진
90도의 격자 패턴의 결정구조가

우리 눈에 보이는 수정의 모양으로
나타나는 것이지요.

이에 반해 석영은 육방정계의
결정 구조를 가집니다.

면으로 보면 원자들이 육각형으로
배열되어있다는 뜻이지요.

삼차원으로보면 이 육각형들은
수많은 피라미드로 맞물려있고

이 피라미드는 하나의 실리콘 원자와
네 개의 산소 원자들로 구성됩니다.

그래서 석영 수정의 독특한 모양은

뾰족한 부분을 가지는 여섯 면의
기둥으로 이루어집니다.

환경에 따라

대부분의 수정들은 여러가지의
기하학적 모양을 갖출 수 있습니다.

예를 들어 지구 멘틀 깊은 곳에서
만들어지는 다이아몬드는

정육면체의 결정 구조를 가지고 있으며

정육면체 혹은 팔면체의 형태로
자랄 수 있습니다.

다이아몬드가 어떤 형태를 취할지는

이것이 형성되는 환경에 따라 결정되는데

압력, 온도, 그리고
화학적 환경이 영향을 끼칩니다.

직접적으로 맨틀 내에서의
형성환경을 관찰할 수는 없지만

연구실 실험들을 통해서

다이아몬드가 저온에서는
정육면체 모양으로 자라고

고온에서는 팔면체로 자라는
경향이 파악되었습니다.

물, 실리콘, 게르마늄,
혹 마그네슘의 잔존량도

다이아몬드 모양에 영향을
끼칠 지도 모릅니다.

그리고 다이아몬드는 자연에서
보석의 형태로 자라지 않습니다.

우리가 아는 보석들은 빛나고 투명하도록
커팅이 된 것들입니다.

환경조건 또한 수정 모양에
상당한 영향을 끼칠 수 있습니다.

유리는 석영 모래를 녹여 만들지만

수정은 아니지요.

유리는 상대적으로 빨리 식기 때문에

원자들이 재배열될 시간이 부족하여

정해진 수정의 형태를 취할 수 없지요.

대신 녹은 유리 상태에서의
원자들의 무작위 배열이

식는 과정에서 고정되는 것입니다.

많은 수정들은 기하학적 모양을
만들어내지 않습니다.

다른 수정들과
너무 근접해있기 때문이지요.

화강암과 같은 암석들은
수정들로 가득하지만

눈에 띄는 형태를
찾아 볼 수는 없습니다.

마그마가 식고 단단해질 때,

수많은 미네랄들이 동시에 결정화되고
공간이 부족해지기 때문입니다.

그리고 터키석같은 어떤 수정들은

대부분의 환경에서 눈에 띄는
기하학적 형태를 취하지 않습니다.

충분한 공간이 있어도 마찬가지이지요.

모든 수정들은 원자 구조는
고유의 특징을 가지고

어떤 것들은 인간들에게
매력적으로 느껴지지 않을지라도

여전히 재료과학과 의약에 있어
유용하게 활용되고 있습니다.