How do crystals work? - Graham Baird

翻訳: Yasushi Aoki 校正: Tomoyuki Suzuki

Deep beneath the geysers and hot springs of Yellowstone Caldera

イエローストーン・カルデラの 間欠泉や温泉の地下深くには

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

マントル中のホットスポットにより作り出された マグマ溜まりがあります

As the magma moves towards the Earth’s surface,

マグマが地表に向かって 移動するとき

it crystallizes to form young, hot igneous rocks.

結晶化して 新しく熱い火成岩となります

The heat from these rocks drives groundwater towards the surface.

岩石の熱で地下水が 地表の方に押し出され

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

水が冷えると イオンが沈殿して 結晶になります

including quartz crystals from silicon and oxygen,

珪素と酸素からなる石英

feldspar from potassium, aluminum, silicon, and oxygen,

カリウム アルミニウム 珪素 酸素からなる長石

galena from lead and sulfur.

鉛と硫黄からなる方鉛鉱など

Many of these crystals have signature shapes—

これらの結晶の多くは 特徴的な形を持っています

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

尖った針山のような石英や 立方体を積み重ねたような方鉛鉱

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

でも なぜ繰り返し このような形になるのでしょう？

Part of the answer lies in their atoms.

その鍵は原子にあります

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

結晶の原子は整然と繰り返す パターンに並んでいます

This pattern is the defining feature of a crystal,

このパターンこそ 結晶の決定的な特徴であり

and isn’t restricted to minerals—

これは鉱物に限りません

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

砂 氷 砂糖 チョコレート セラミックス 金属 DNA

and even some liquids have crystalline structures.

さらには ある種の液体も 結晶構造を持ちます

Each crystalline material’s atomic arrangement

結晶における 原子の並び方は

falls into one of six different families:

大きく６つに分けられます

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

立方晶系 正方晶系 直方晶系 単斜晶系 三斜晶系 六方晶系です

Given the appropriate conditions,

適切な環境下であれば

crystals will grow into geometric shapes

結晶は原子の配列に応じた

that reflect the arrangement of their atoms.

幾何学的な形へと成長します

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

方鉛鉱の場合 立方晶系の構造を持ち 鉛と硫黄から構成されています

The relatively large lead atoms

比較的大きな鉛原子は

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

互いが90度の角度で接する ３次元格子状に並びます

while the relatively small sulfur atoms fit neatly between them.

比較的小さな硫黄原子は 鉛の隙間にうまく納まります

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

結晶が成長するにつれ これらの場所に硫黄原子が引き寄せられ

while lead will tend to bond to these places.

これらの場所に鉛原子が 結び付きます

Eventually, they will complete the grid of bonded atoms.

そのようにして結合した原子が 格子を形作ります

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

90度の格子になった 方鉛鉱結晶の構造は

is reflected in the visible shape of the crystal.

結晶の見た目の形にも 反映されています

Quartz, meanwhile, has a hexagonal crystalline structure.

一方で石英は六方晶系の 結晶構造を持っています

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

平面で見ると 六角形に並んでいます

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

立体的には この六角形はたくさんの 三角錐を敷き詰めてできたもので

made up of one silicon atom and four oxygen atoms.

各三角錐は１つの珪素原子と ４つの酸素原子からできています

So the signature shape of a quartz crystal

石英に特徴的な形は

is a six-sided column with pointed tips.

先端が尖った 六角柱です

Depending on environmental conditions,

環境条件に応じて

most crystals have the potential to form multiple geometric shapes.

多くの結晶は複数の 幾何学的な形状を取り得ます

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

たとえばダイアモンドは マントルの奥深くで形成されますが

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

立方晶系の結晶構造を持ち 立方体か八面体へと成長します

Which shape a particular diamond grows into

どちらの形になるかは

depends on the conditions where it grows,

圧力 温度 化学的な環境 といった

including pressure, temperature, and chemical environment.

成長する際の条件に 依存します

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

マントル内の成長条件を 直接観察はできませんが

laboratory experiments have shown some evidence

実験室で得られた結果では

that diamonds tend to grow into cubes at lower temperatures

低温では立方体に

and octahedrons at higher temperatures.

高温では八面体になる 傾向があります

Trace amounts of water, silicon, germanium, or magnesium

微量の水 珪素 ゲルマニウム マグネシウムの存在も

might also influence a diamond’s shape.

ダイアモンドの形に影響します

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

ダイアモンドが宝石店で見られるような形へと 自然に成長することはなく

those diamonds have been cut to showcase sparkle and clarity.

あれは燦めきと透明度が出るよう 人為的にカットされたものです

Environmental conditions can also influence whether crystals form at all.

環境条件によって結晶ができたり できなかったりもします

Glass is made of melted quartz sand,

ガラスは溶かした珪砂から 作られますが

but it isn’t crystalline.

結晶にはなっていません

That’s because glass cools relatively quickly,

ガラスは比較的急速に 冷やされるため

and the atoms do not have time to arrange themselves

石英の整然とした結晶構造へと 原子が整列する暇がなく

into the ordered structure of a quartz crystal.

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

溶けたガラス中の 原子が乱雑に並んだ状態が

is locked in upon cooling.

そのまま固定化されて しまうのです

Many crystals don’t form geometric shapes

多くの結晶は幾何学的な形を 形成しませんが

because they grow in extremely close quarters with other crystals.

これは他の結晶と混在する中で 成長するためです

Rocks like granite are full of crystals,

花崗岩のような岩石には 結晶がたくさん含まれますが

but none have recognizable shapes.

それと分かるような 形はしていません

As magma cools and solidifies,

マグマが冷えて固まるとき

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

様々な鉱物が同時に結晶化し 隙間がすぐに埋まってしまうのです

And certain crystals, like turquoise,

トルコ石のような結晶では

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

たとえ十分な空間があっても ほとんどの環境条件下で

それと分かるような 幾何学的形状には成長しません

even given adequate space.

Every crystal’s atomic structure has unique properties,

それぞれの結晶の構造には 独特な性質があり

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

人間の感性に訴えるような ものではなくとも

they do have powerful applications in materials science and medicine.

材料科学や医学で 役立っているのです