How do crystals work? - Graham Baird

Translator: Stilyana Stoyanova Reviewer: Anton Hikov

Deep beneath the geysers and hot springs of Yellowstone Caldera

Дълбоко под гейзерите и горещите извори на Йелоустоунската калдера

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

лежи магмена камера, произведена от гореща точка в мантията на Земята.

As the magma moves towards the Earth’s surface,

Докато магмата се движи към повърхността на Земята,

it crystallizes to form young, hot igneous rocks.

тя се кристализира и образува млади, горещи магмени скали.

The heat from these rocks drives groundwater towards the surface.

Топлината от тези скали тласка подземните води към повърхността.

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

С охлаждането на водата, йоните се утаяват

под формата на минерални кристали,

including quartz crystals from silicon and oxygen,

включително кварцови кристали от силиций и кислород;

feldspar from potassium, aluminum, silicon, and oxygen,

фелдшпат от калий, алуминий, силиций и кислород;

galena from lead and sulfur.

галенит от олово и сяра.

Many of these crystals have signature shapes—

Много от тези кристали имат харакетерна форма -

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

като тази каскада от остър кварц, или тази купчина кубчета галенит.

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

Но какво ги кара да се развият в тези форми отново и отново?

Part of the answer lies in their atoms.

Част от отговора се крие в техните атоми.

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

Атомите на всеки кристал са подредени в силно организиран, повтарящ се модел.

This pattern is the defining feature of a crystal,

Този модел определя характеристиката на кристал,

and isn’t restricted to minerals—

и не се отнася само за минерали -

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

пясък, лед, захар, шоколад, керамика, метали, ДНК,

and even some liquids have crystalline structures.

и дори някои течности имат кристални структури.

Each crystalline material’s atomic arrangement

Нареждането на атомите на всяка кристална структура

falls into one of six different families:

попада в един от шест различни рода:

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

кубичен, тетрагонален, орторомбичен, моноклинен, триклинен и хексагонален.

Given the appropriate conditions,

При наличност на подходящите условия,

crystals will grow into geometric shapes

кристалите се развиват в геометрични форми,

които отразяват нареждането на техните атоми.

that reflect the arrangement of their atoms.

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

Например галенита,

който има кубична структура съставена от оловни и серни атоми.

The relatively large lead atoms

Относително големите оловни атоми

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

са подредени в триизмерна решетка на 90 градуса един от друг,

while the relatively small sulfur atoms fit neatly between them.

докато относително малките серни атоми се нареждат удобно помежду им.

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

С растежа на кристала, места като тези привличат серни атоми,

while lead will tend to bond to these places.

докато оловото има тенденцията да се свързва с тези места.

Eventually, they will complete the grid of bonded atoms.

Накрая те ще запълнят решетката от свързани атоми.

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

Това означава, че 90-градусовия модел на кристалната структура на галенита

is reflected in the visible shape of the crystal.

се отразява във видимата форма на кристала.

Quartz, meanwhile, has a hexagonal crystalline structure.

Кварцът, междувременно, има хексагонална кристална структура.

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

Това означава, че на една равнина

атомите му са подредени в шестоъгълници.

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

В три измерения тези шестоъгълници са съставени от множество преплетени пирамиди

made up of one silicon atom and four oxygen atoms.

съставени от един силициев атом и четири кислородни атома.

So the signature shape of a quartz crystal

Така че формата на кварцовия кристал

is a six-sided column with pointed tips.

е шестстранна колона със заострени върхове.

Depending on environmental conditions,

В зависимост от условията на околната среда,

most crystals have the potential to form multiple geometric shapes.

повечето кристали имат потенциала да образуват множество геометрични фигури.

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

Например, диамантите, които се образуват дълбоко в мантията на Земята,

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

имат кубична кристална структура и се развиват в кубчета или октаедри.

Which shape a particular diamond grows into

В коя точно форма израства диаманта

depends on the conditions where it grows,

зависи от условията, в които расте,

including pressure, temperature, and chemical environment.

включително налягане, температура, и химическата среда.

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

Въпреки, че не можем да следим директно условията за разтеж в мантията

laboratory experiments have shown some evidence

някои лабораторни експерименти показват доказателства,

that diamonds tend to grow into cubes at lower temperatures

че диамантите са склонни да растат като кубове при по-ниски температури

and octahedrons at higher temperatures.

и октаедри при по-високи температури.

Trace amounts of water, silicon, germanium, or magnesium

Следи от вода, силиций, германий или магнезий

might also influence a diamond’s shape.

също може да въздействат върху формата на диаманта.

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

И диамантите никога не растат естествено във фигурите намерени в бижутата—

those diamonds have been cut to showcase sparkle and clarity.

тези диаманти са били изрязани, за да покажат блясък и чистота.

Environmental conditions can also influence whether crystals form at all.

Околната среда също може да повлияе дали кристалите изобщо се образуват.

Glass is made of melted quartz sand,

Стъклото е направено от разтопен кварцов пясък,

but it isn’t crystalline.

но не е кристално.

That’s because glass cools relatively quickly,

Това е защото стъклото се охлажда сравнително бързо

and the atoms do not have time to arrange themselves

и атомите нямат време да се подредят

into the ordered structure of a quartz crystal.

в подредената структура на кварцов кристал.

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

Вместо това, случайното подреждане на атомите в стопеното стъкло

is locked in upon cooling.

се заключва при охлаждане.

Many crystals don’t form geometric shapes

Много кристали не образуват геометрични форми,

because they grow in extremely close quarters with other crystals.

защото растат в изключително близки среди с други кристали.

Rocks like granite are full of crystals,

Камъните като гранит са пълни с кристали,

but none have recognizable shapes.

но нямат разпознаваеми форми.

As magma cools and solidifies,

Доакто магмата се охлажда и втвърдява,

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

много минерали се кристализират по едно и също време и бързо запълват мястото.

And certain crystals, like turquoise,

И някои кристали, като тюркоаз,

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

не се развиват в определена геометрична форма в повечето природни условия,

even given adequate space.

дори при дадено достатъчно пространство.

Every crystal’s atomic structure has unique properties,

Атомната структура на всеки кристал има уникални свойства,

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

и докато тези свойства може да нямат връзка с човешките емоционални нужди,

they do have powerful applications in materials science and medicine.

те имат мощни приложения в материалознанието и медицината.