Jak tworzą się kryształy? - Graham Baird

Zobacz całą lekcję: https://ed.ted.com/lessons/how-do-crystals-work-graham-baird

Wiele kryształów ma charakterystyczne kształty - weźmy kaskadę spiczastego kwarcu lub kostki galeny. Atomy każdego kryształu mają dominującą cechę: są ułożone w bardzo zorganizowany, powtarzalny wzór. Wzory są charakterystycznymi cechami kryształów, ale nie ograniczają się do minerałów. Piasek, lód, cukier, czekolada, ceramika, metale, DNA, a nawet niektóre płyny mają krystaliczne struktury. Ale co sprawia, że ciągle formują takie same kształty? Graham Baird opowiada o wyjątkowych właściwościach kryształów.

Lekcja: Graham Baird, reżyseria: Franz Palomares.

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.