Як влаштовані кристали? - Ґрем Бейрд

Повну версію уроку можна переглянути за посиланням: https://ed.ted.com/lessons/how-do-crystals-work-graham-baird

Багато кристалів мають свою унікальну форму: як-от каскад шпилястого кварцу чи скупчення кубічного галеніту. Атоми кристалів мають характерну властивість: чітко організований патерн, що повторюється. Однак не тільки мінерали мають таку будову. Пісок, лід, метали чи ДНК — усі вони мають кристалічну структуру. Але чому кристали виростають такими знову і знову? Ґрем Бейрд розповідає про унікальні властивості кристалі.

Урок Ґрема Брейда, режисура Франца Паломареса.

Глибоко під гейзерами й гарячими
джерелами Єллоустоунської кальдери

лежить магматична комора, утворена
гарячою точкою у земній мантії.

Рухаючись в бік земної поверхні,

магма кристалізується та утворює
молоді магматичні породи.

Тепло, що виділяється цими породами,
змушує підземні води рухатися вгору.

При охолодженні води іони осідають
на стінках каналів у вигляді кристалів:

як-от кристали кварцу, що складаються
з іонів силіцію та оксигену,

польового шпату — з іонів кальцію,
алюмінію, силіцію та оксигену,

галеніту — з іонів плюмбуму та сульфуру.

Більшість цих кристалів мають
свою унікальну форму:

як ось цей каскад шпилястого кварцу
або це скупчення кубічного галеніту.

Але чому ці кристали формують
такі фігури знову і знову?

Відповідь криється в їхніх атомах.

Атоми кристалів утворюють чітко
організовану та повторювану структуру.

Це і є визначальною особливістю кристалів,

до яких належать не тільки мінерали.

Пісок, лід, цукор, шоколад, кераміка,
метали, ДНК

та навіть деякі рідини — усі вони
мають кристалічну будову.

Кристалічні ґратки, які формують
атоми певного матеріалу,

можна розділити на шість груп:

кубічна, тетрагональна, ромбічна,
моноклінна, тригональна та гексагональна.

За сприятливих умов

кристали виростають у певну
геометричну фігуру,

якій відповідає розміщення атомів
всередині них.

Галеніт, що має форму куба, складається
з атомів плюмбуму та сульфуру.

Достатньо великі атоми плюмбуму

розміщуються в тривимірну ґратку
під кутом 90° один до одного,

тоді як порівняно малі атоми сульфуру
розташовуються точнісінько між ними.

З ростом кристалу такі конструкції
приваблюють інші атоми сульфуру,

тоді як плюмбум буде
зв'язувати їх між собою.

Зрештою утвориться суцільна ґратка
зв'язаних між собою атомів.

Це означає, що прямокутна модель
кристалічної ґратки галеніту

повністю відтворює характерну
для цього кристала форму.

Кварц, з іншого боку, має гексагональну
кристалічну форму.

Це означає, що його атоми утворюють
правильний шестикутник.

У тривимірному просторі ці шестикутники
утворені купою взаємопов'язаних пірамід,

що складаються з одного атома силіцію
та чотирьох атомів оксигену.

Таким чином характерною формою
кристалів кварцу

є шестикутник, загострений на кінцях.

Залежно від умов середовища

більшість кристалів можуть утворювати
різноманітні геометричні форми.

Наприклад, алмази, які народжуються
глибоко в земній мантії,

мають кубічну кристалічну ґратку, але вони
також можуть виростати і в октаедри.

Форму, яку матиме алмаз,

визначають умови, в яких він зростає:

тиск, температура та хімічне середовище.

Оскільки не можливо безпосередньо
спостерігати ріст кристалу в мантії,

були проведені дослідження,
які виявили,

що алмази схильні мати кубічну форму
при низьких температурах

та октаедричну — при високих.

Навіть незначна кількість води, силіцію,
германію чи магнію

може також впливати на те, яким буде
той чи інший алмаз.

До речі, природні алмази ніколи не мають
такої форми, яку можна знайти в прикрасах.

Такі алмази обробляють та відшліфовуюють
до блиску для вітрин ювелірних магазинів.

Навколишнє середовище також може
впливати на структуру кристала.

Скло виробляють із розплавленого
кварцового піску,

але це не є кристалом,

бо скло охолоджується
досить швидко, а тому

його атоми просто не встигають сформувати

таку цільну ґратку, як у кристалів кварцу.

Натомість атоми розплавленого скла
розташовуються хаотично,

саме через швидке охолодження.

Багато кристалів не мають правильної
геометричної форми,

тому що ростуть надзвичайного близько
один до одного.

Граніти, наприклад, рясніють кристалами,

але жоден із них не має
правильної форми.

Коли магма охолоджується та застигає,

мінерали всередині кристалізуються
так само, стикаючись один з одним.

Деякі кристали, такі як бірюза,

не утворюють якоїсь впізнаваної форми
за звичайних умов,

навіть якщо для цього достатньо простору.

Кожна кристалічна система
має свої унікальні особливості,

і якщо ці особливості не в змозі
задовольнити наші естетичні потреби,

вони можуть бути успішно використані
в науці та медицині.