How do crystals work? - Graham Baird

المترجم: Aseel Obeidi المدقّق: Riyad Almubarak

Deep beneath the geysers and hot springs of Yellowstone Caldera

عميقًا تحت الفوارات الحارة والينابيع الساخنة في كاليدرا يلوستون

lies a magma chamber produced by a hot spot in the earth’s mantle.

تتوضع حجرةً صهارية تنتج عن نقطة ساخنة في وشاح الأرض.

As the magma moves towards the Earth’s surface,

أثناء تحرك الصهارة باتجاه سطح الأرض،

it crystallizes to form young, hot igneous rocks.

تتبلور مشكلةً صخورًا بركانية جديدة ساخنة.

The heat from these rocks drives groundwater towards the surface.

الحرارة المنبعثة من هذه الصخور تقود المياه الجوفية إلى السطح.

As the water cools, ions precipitate out as mineral crystals,

عندما تبرد المياه، تترسب الأيونات مشكلةً بلورات معدنية،

including quartz crystals from silicon and oxygen,

بما فيها بلورات الكوارتز المكونة من السيليكون والأكسجين،

feldspar from potassium, aluminum, silicon, and oxygen,

الفلسبار المكون من البوتاسيوم، والألمنيوم، والسيليكون، والأكسجين،

galena from lead and sulfur.

الجالينا المكون من الرصاص والكبريت.

Many of these crystals have signature shapes—

العديد من هذه البلورات لديها أشكال تميزها-

take this cascade of pointed quartz, or this pile of galena cubes.

كهذه السلسلة من الكوارتز المدبّب، أو هذه الكومة من مكعبات الجالينا.

But what causes them to grow into these shapes again and again?

لكن ما الذي يدفعهم للنمو بهذه الأشكال مرةً بعد الأخرى؟

Part of the answer lies in their atoms.

جزء من الإجابة يكمن في ذراتهم.

Every crystal’s atoms are arranged in a highly organized, repeating pattern.

كل ذرات البلورات تترتب بنمطٍ منتظم جدًا ومتكرر.

This pattern is the defining feature of a crystal,

هذا النمط هو الخاصية المميزة للبلّورة،

and isn’t restricted to minerals—

ولا يقتصر فقط على المعادن-

sand, ice, sugar, chocolate, ceramics, metals, DNA,

الرمل، الجليد، السكر، الشوكولا، السيراميك، الفلزات، الحمض النووي،

and even some liquids have crystalline structures.

وحتى بعض السوائل تمتلك بنىً بلورية.

Each crystalline material’s atomic arrangement

كل ترتيب ذري للمواد البلورية

falls into one of six different families:

ينتمي إلى واحدة من ستة أنواع مختلفة:

cubic, tetragonal, orthorhombic, monoclinic, triclinic, and hexagonal.

مكعب، رباعي، معيني قائم، أحادي الميل، ثلاثي الميل، وسداسي.

Given the appropriate conditions,

بوجود الظروف المناسبة،

crystals will grow into geometric shapes

ستنمو البلورات في أشكال هندسية

that reflect the arrangement of their atoms.

تعكس ترتيب ذراتها.

Take galena, which has a cubic structure composed of lead and sulfur atoms.

الجالينا على سبيل المثال، التي لديها بنية مكعب مكونة من ذرات الرصاص والكبريت.

The relatively large lead atoms

ذرات الرصاص الكبيرة نسبيًا

are arranged in a three-dimensional grid 90 degrees from one another,

مرتبة في شبكة ثلاثية الأبعاد على بُعد 90 درجة من بعضها الآخر،

while the relatively small sulfur atoms fit neatly between them.

بينما تتوضع ذرات الكبريت الصغيرة نسبيًا بينها بشكل مناسب.

As the crystal grows, locations like these attract sulfur atoms,

وبنمو البلّورة، تجذب مواقع كهذه ذرات الكبريت،

while lead will tend to bond to these places.

بينما يميل الرصاص للارتباط بهذه الأماكن.

Eventually, they will complete the grid of bonded atoms.

وفي النهاية، سيُكملون شبكة الذرات المترابطة.

This means the 90 degree grid pattern of galena’s crystalline structure

هذا يعني أن نمط شبكة الـ 90 درجة لبنية الجالينا البلورية

is reflected in the visible shape of the crystal.

ينعكس في الشكل الظاهر للبلّورة.

Quartz, meanwhile, has a hexagonal crystalline structure.

الكوارتز، من ناحيةٍ أخرى، يمتلك بنيةً بلورية سداسية.

This means that on one plane its atoms are arranged in hexagons.

هذا يعني أنه على سطح مستوٍ تترتب ذراته بأشكال سداسية.

In three dimensions, these hexagons are composed of many interlocking pyramids

بالأبعاد الثلاثية، هذه الأشكال السداسية تتألف من العديد من الأهرامات المتداخلة

made up of one silicon atom and four oxygen atoms.

المكونة من ذرة سيليكون وأربع ذرات أكسجين.

So the signature shape of a quartz crystal

إذًا الشكل المميز لبلورة الكوارتز

is a six-sided column with pointed tips.

هو عمودٌ بستة جوانب مع نهاياتٍ مدبّبة.

Depending on environmental conditions,

تبعًا للظروف البيئية،

most crystals have the potential to form multiple geometric shapes.

معظم البلورات لديها إمكانية لتتخذ أشكالًا هندسية متعددة.

For example, diamonds, which form deep in the Earth’s mantle,

على سبيل المثال، الماس، الذي يتشكل عميقًا داخل وشاح الأرض،

have a cubic crystalline structure and can grow into either cubes or octahedrons.

يمتلك بنية بلورية مكعبة الشكل ويمكنه أن ينمو إما بشكل مكعبات أو ثمانيات الأوجه.

Which shape a particular diamond grows into

إن الشكل الذي تغدو إليه ألماسةً ما

depends on the conditions where it grows,

يتوقف على الظروف التي تنمو بها،

including pressure, temperature, and chemical environment.

بما فيها الضغط، الحرارة، والبيئة الكيميائية.

While we can’t directly observe growth conditions in the mantle,

في حين لا يمكننا أن نراقب ظروف النمو في الوشاح،

laboratory experiments have shown some evidence

أظهرت التجارب المخبرية بعض الأدلة

that diamonds tend to grow into cubes at lower temperatures

أن الماس يميل للنمو بشكل مكعبات في درجات حرارة منخفضة

and octahedrons at higher temperatures.

وبشكل ثماني أوجه في درجات حرارة مرتفعة.

Trace amounts of water, silicon, germanium, or magnesium

كميات ضئيلة من الماء، السيليكون، الجيرمانيوم، أو المغنيزيوم

might also influence a diamond’s shape.

يمكنها أن تؤثر في شكل الماس أيضًا.

And diamonds never naturally grow into the shapes found in jewelry—

والماس لا ينمو طبيعيًا بالأشكال التي نجدها في المجوهرات أبدًا-

those diamonds have been cut to showcase sparkle and clarity.

هذه الألماسات تم صقلها لتظهر اللمعان والصفاء.

Environmental conditions can also influence whether crystals form at all.

يمكن للظروف البيئية أن تؤثر أيضًا في ما إذا كانت البلورات ستتشكل أصلًا.

Glass is made of melted quartz sand,

يُصنع الزجاج من رمل الكوارتز المذاب،

but it isn’t crystalline.

لكنه غير بلوري.

That’s because glass cools relatively quickly,

هذا لأن الزجاج يبرد بشكل سريع نسبيًا،

and the atoms do not have time to arrange themselves

فلا تجد الذرات الوقت لترتّب نفسها

into the ordered structure of a quartz crystal.

في شكل البنية المحددة لبلّورة الكوارتز.

Instead, the random arrangement of the atoms in the melted glass

بدلًا من ذلك، الترتيب العشوائي للذرات في الزجاج المذاب

is locked in upon cooling.

يتثبت بعد التبريد.

Many crystals don’t form geometric shapes

العديد من البلورات لا تشكل أشكالًا هندسية

because they grow in extremely close quarters with other crystals.

لأنها تنمو بمسافات قريبة جدًا من البلورات الأخرى.

Rocks like granite are full of crystals,

الصخور كالجرانيت مليئة بالبلورات،

but none have recognizable shapes.

ولكن ليس لأي منها أشكالًا محددة.

As magma cools and solidifies,

بينما تبرد الصهارة وتتصلب،

many minerals within it crystallize at the same time and quickly run out of space.

تتبلور فيها العديد من المعادن في الوقت نفسه وتختفي المساحات الفارغة سريعًا.

And certain crystals, like turquoise,

وبعض البلورات، كالفيروز،

don’t grow into any discernible geometric shape in most environmental conditions,

تنمو بشكل هندسي غير قابل للتمييز في معظم الظروف البيئية،

even given adequate space.

حتى مع توفر المساحة الكافية.

Every crystal’s atomic structure has unique properties,

كل بنية ذرية لبلورة ما لها خصائصها المميزة،

and while these properties may not have any bearing on human emotional needs,

وبينما ليس هنالك أي تأثير لهذه الخصائص على احتياجات الإنسان العاطفية،

they do have powerful applications in materials science and medicine.

فإن لها تطبيقات قوية في علم المواد والطب.