How do crystals work? - Graham Baird

Übersetzung: Eleonora Hochreiner Lektorat: Natalie Solbach

Deep beneath the geysers and hot springs of Yellowstone Caldera

Tief unter den Geysiren und heißen Quellen der Yellowstone Caldera

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

liegt eine Magmakammer, die aus einem Hotspot im Erdmantel entstanden ist.

Wenn das Magma zur Erdoberfläche aufsteigt,

As the magma moves towards the Earth’s surface,

it crystallizes to form young, hot igneous rocks.

kristallisiert es und bildet so frisches, heißes, magmatisches Gestein.

The heat from these rocks drives groundwater towards the surface.

Die Hitze dieses Gesteins treibt Grundwasser in Richtung Oberfläche.

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

Beim Abkühlen des Wassers schlagen sich Ionen als Mineralkristalle nieder,

including quartz crystals from silicon and oxygen,

so zum Beispiel Quarzkristalle aus Silizium und Sauerstoff,

feldspar from potassium, aluminum, silicon, and oxygen,

Feldspat aus Kalium, Aluminium, Silizium und Sauerstoff,

galena from lead and sulfur.

Galenit aus Blei und Schwefel.

Viele dieser Kristalle haben charakteristische Formen -

Many of these crystals have signature shapes—

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

wie diese Kaskade aus spitzem Quarz oder diese Ansammlung von Galenit-Würfeln.

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

Aber weshalb wachsen sie immer wieder in diesen Formen heran?

Part of the answer lies in their atoms.

Ein Teil der Antwort liegt in ihren Atomen.

Alle Atome eines Kristalls

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

sind in einem hochorganisierten, sich wiederholenden Muster angeordnet.

This pattern is the defining feature of a crystal,

Dieses Muster ist das charakteristische Merkmal eines Kristalls

and isn’t restricted to minerals—

und beschränkt sich nicht nur auf Mineralien -

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

Sand, Eis, Zucker, Schokolade, Keramik, Metalle, DNA

and even some liquids have crystalline structures.

und sogar einige Flüssigkeiten besitzen kristalline Strukturen.

Each crystalline material’s atomic arrangement

Die atomare Anordnung eines kristallinen Materials

falls into one of six different families:

fällt in eine von sechs verschiedenen Familien:

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

kubisch, tetragonal, orthorhombisch, monoklin, triklin und hexagonal.

Given the appropriate conditions,

Unter geeigneten Bedingungen

crystals will grow into geometric shapes

wachsen Kristalle in geometrischen Formen,

die die Anordnung ihrer Atome widerspiegeln.

that reflect the arrangement of their atoms.

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

Zum Beispiel Galenit, das eine kubische Struktur aus Blei und Schwefel hat.

The relatively large lead atoms

Die relativ großen Bleiatome

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

sind in einem dreidimensionalen Gitter um 90 Grad zueinander versetzt angeordnet,

while the relatively small sulfur atoms fit neatly between them.

sodass die verhältnismäßig kleineren Schwefelatome genau dazwischen passen.

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

Während der Kristall wächst, ziehen solche Stellen Schwefelatome an,

while lead will tend to bond to these places.

an die sich wiederum Blei bindet.

Eventually, they will complete the grid of bonded atoms.

So bilden sie letztlich das Gitter aus gebundenen Atomen.

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

Das rechtwinkelige Gittermuster der Galenit-Struktur spiegelt sich also

is reflected in the visible shape of the crystal.

im Erscheinungsbild des Kristalls wider.

Quartz, meanwhile, has a hexagonal crystalline structure.

Quarz dagegen besitzt eine hexagonale Kristallstruktur.

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

Das heißt, dass die Atome auf einer Ebene sechseckig angeordnet sind.

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

Dreidimensional betrachtet bestehen diese Sechsecke

aus vielen ineinandergreifenden Pyramiden,

made up of one silicon atom and four oxygen atoms.

zusammengesetzt aus je einem Siliziumatom und vier Sauerstoffatomen.

So the signature shape of a quartz crystal

Die charakteristische Form eines Quarzkristalls ist also

is a six-sided column with pointed tips.

eine sechsseitige Säule mit spitzen Enden.

Depending on environmental conditions,

Abhängig von den Umgebungsbedingungen

most crystals have the potential to form multiple geometric shapes.

haben die meisten Kristalle das Potential, mehrere geometrische Formen zu bilden.

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

Zum Beispiel haben Diamanten, die sich tief in der Erdkruste bilden,

eine kubische Kristallstruktur und können zu Würfeln oder Oktaedern wachsen.

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

Which shape a particular diamond grows into

In welche Form ein bestimmter Diamant wächst

depends on the conditions where it grows,

hängt von den Bedingungen dort ab, wo er wächst,

including pressure, temperature, and chemical environment.

einschließlich Druck, Temperatur und chemischer Umgebung.

Auch wenn wir die Wachstumsbedingungen

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

in der Erdkruste nicht direkt beobachten können,

laboratory experiments have shown some evidence

deuten Versuche im Labor darauf hin,

that diamonds tend to grow into cubes at lower temperatures

dass Diamanten bei niedrigen Temperaturen eher würfelförmig wachsen

and octahedrons at higher temperatures.

und bei hohen Temperaturen zu Oktaedern werden.

Trace amounts of water, silicon, germanium, or magnesium

Spuren von Wasser, Silizium, Germanium oder Magnesium

might also influence a diamond’s shape.

beeinflussen die Form eines Diamanten möglicherweise auch.

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

Auch bilden Diamanten niemals auf natürliche Weise die Formen,

die man von Schmuck kennt -

those diamonds have been cut to showcase sparkle and clarity.

diese Diamanten wurden geschliffen, um durch Funkeln und Klarheit zu punkten.

Environmental conditions can also influence whether crystals form at all.

Umweltbedingungen beeinflussen auch, ob sich überhaupt Kristalle bilden.

Glass is made of melted quartz sand,

Glas besteht aus geschmolzenem Quarzsand,

but it isn’t crystalline.

aber es ist nicht kristallin.

That’s because glass cools relatively quickly,

Das ist so, weil Glas relativ schnell abkühlt,

and the atoms do not have time to arrange themselves

und die Atome so keine Zeit haben

into the ordered structure of a quartz crystal.

sich in der geordneten Struktur eines Quarzkristalls zu arrangieren.

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

Stattdessen verfestigt sich beim Abkühlen die zufällige Anordnung der Atome

is locked in upon cooling.

im geschmolzenen Glas.

Many crystals don’t form geometric shapes

Viele Kristalle bilden keine geometrischen Formen,

because they grow in extremely close quarters with other crystals.

weil sie auf sehr engem Raum mit anderen Kristallen wachsen.

Rocks like granite are full of crystals,

Gesteine wie Granit bestehen aus lauter Kristallen,

but none have recognizable shapes.

aber keine davon haben erkennbare Formen.

As magma cools and solidifies,

Wenn das Magma abkühlt und erstarrt,

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

kristallisieren darin viele Mineralien gleichzeitig und es wird schnell zu eng.

And certain crystals, like turquoise,

Und bestimmte Kristalle, wie Türkis,

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

entwickeln sich meist gar nicht zu erkennbaren geometrischen Formen,

even given adequate space.

selbst wenn sie genug Platz haben.

Die atomare Anordnung jedes Kristalls besitzt einzigartige Eigenschaften,

Every crystal’s atomic structure has unique properties,

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

und auch wenn sie vermutlich keine Auswirkungen

auf menschliche emotionale Bedürfnisse haben,

they do have powerful applications in materials science and medicine.

werden sie doch wirkungsvoll

in der Werkstoffwissenschaft und in der Medizin angewendet.