How do crystals work? - Graham Baird

번역: Christina Hang A Kim 검토: Won Jang

Deep beneath the geysers and hot springs of Yellowstone Caldera

옐로우스톤 칼데라의 간헐천과 온천들 아래 저 깊은 곳에

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

지구 멘틀의 뜨거운 곳에 의해 생긴 마그마의 공간이 자리잡고 있습니다.

As the magma moves towards the Earth’s surface,

마그마는 지구 표면을 향해 움직이며

it crystallizes to form young, hot igneous rocks.

결정화되어 어리고 뜨거운 화성암이 만들어집니다.

The heat from these rocks drives groundwater towards the surface.

이 암석들한테 나는 열은 지하수가 표면을 향하도록 만듭니다.

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

물이 식으면, 이온들은 미네랄수정으로 만들어져 나옵니다,

including quartz crystals from silicon and oxygen,

실리콘과 산소가 합쳐져 석영이되고

feldspar from potassium, aluminum, silicon, and oxygen,

칼륨, 알루미늄, 실리콘, 그리고 산소가 뭉쳐 장석이 되며,

galena from lead and sulfur.

납과 황으로부터 방연석이 만들어집니다.

Many of these crystals have signature shapes—

이 수정들 중 대부분은 특징적인 모양을 가집니다—

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

이 뽀족한 석영 기둥들과 정육면체의 방연석 더미들을 보세요.

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

무엇 때문에 이 수정들은 계속 이런 모양으로 자라나는걸까요?

Part of the answer lies in their atoms.

대답의 일부분은 그들의 구성 원자에 있습니다.

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

각 수정의 원자들은 굉장히 구조적이고, 반복된 패턴으로 배열을 합니다.

This pattern is the defining feature of a crystal,

이 패턴이 바로 수정의 정의적 특징이며

and isn’t restricted to minerals—

무기질에만 국한되지는 않습니다—

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

모래, 얼음, 설탕, 초코렛, 세라믹, 금속, 유전자,

and even some liquids have crystalline structures.

그리고 심지어 액체들도 이런 결정 구조를 가집니다.

Each crystalline material’s atomic arrangement

각각의 수정같은 물질들의 원자 배열은

falls into one of six different families:

다음과 같이 여섯개의 군으로 나눌 수 있습니다.

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

정육면체, 사각형, 사방정계, 단사정계, 삼사정계, 육방정계.

Given the appropriate conditions,

적절한 환경조건이 주어지면,

crystals will grow into geometric shapes

수정들은 그들의 원자 배열을 반영해서 기하학적인 모양으로 자랄 겁니다.

that reflect the arrangement of their atoms.

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

방연석을 보면 정육면체 구조로 납과 황 원자들로 이루어져 있습니다.

The relatively large lead atoms

상대적으로 큰 납 원자들은

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

서로 90도로 삼차원의 격자무늬로 배열되고

while the relatively small sulfur atoms fit neatly between them.

상대적으로 작은 황 원자들은 그들 사이에 딱 맞게 들어갑니다.

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

수정이 자라면서 비슷한 이런위치에 다른 황 원자들이 끌려오고

while lead will tend to bond to these places.

납원자들은 이런식으로 배열됩니다.

Eventually, they will complete the grid of bonded atoms.

결국 결합한 원자들로 격자무늬가 완성됩니다.

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

방연석이가진 90도의 격자 패턴의 결정구조가

is reflected in the visible shape of the crystal.

우리 눈에 보이는 수정의 모양으로 나타나는 것이지요.

Quartz, meanwhile, has a hexagonal crystalline structure.

이에 반해 석영은 육방정계의 결정 구조를 가집니다.

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

면으로 보면 원자들이 육각형으로 배열되어있다는 뜻이지요.

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

삼차원으로보면 이 육각형들은 수많은 피라미드로 맞물려있고

made up of one silicon atom and four oxygen atoms.

이 피라미드는 하나의 실리콘 원자와 네 개의 산소 원자들로 구성됩니다.

So the signature shape of a quartz crystal

그래서 석영 수정의 독특한 모양은

is a six-sided column with pointed tips.

뾰족한 부분을 가지는 여섯 면의 기둥으로 이루어집니다.

Depending on environmental conditions,

환경에 따라

most crystals have the potential to form multiple geometric shapes.

대부분의 수정들은 여러가지의 기하학적 모양을 갖출 수 있습니다.

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

예를 들어 지구 멘틀 깊은 곳에서 만들어지는 다이아몬드는

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

정육면체의 결정 구조를 가지고 있으며

정육면체 혹은 팔면체의 형태로 자랄 수 있습니다.

Which shape a particular diamond grows into

다이아몬드가 어떤 형태를 취할지는

depends on the conditions where it grows,

이것이 형성되는 환경에 따라 결정되는데

including pressure, temperature, and chemical environment.

압력, 온도, 그리고 화학적 환경이 영향을 끼칩니다.

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

직접적으로 맨틀 내에서의 형성환경을 관찰할 수는 없지만

laboratory experiments have shown some evidence

연구실 실험들을 통해서

that diamonds tend to grow into cubes at lower temperatures

다이아몬드가 저온에서는 정육면체 모양으로 자라고

and octahedrons at higher temperatures.

고온에서는 팔면체로 자라는 경향이 파악되었습니다.

Trace amounts of water, silicon, germanium, or magnesium

물, 실리콘, 게르마늄, 혹 마그네슘의 잔존량도

might also influence a diamond’s shape.

다이아몬드 모양에 영향을 끼칠 지도 모릅니다.

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

그리고 다이아몬드는 자연에서 보석의 형태로 자라지 않습니다.

those diamonds have been cut to showcase sparkle and clarity.

우리가 아는 보석들은 빛나고 투명하도록 커팅이 된 것들입니다.

Environmental conditions can also influence whether crystals form at all.

환경조건 또한 수정 모양에 상당한 영향을 끼칠 수 있습니다.

Glass is made of melted quartz sand,

유리는 석영 모래를 녹여 만들지만

but it isn’t crystalline.

수정은 아니지요.

That’s because glass cools relatively quickly,

유리는 상대적으로 빨리 식기 때문에

and the atoms do not have time to arrange themselves

원자들이 재배열될 시간이 부족하여

into the ordered structure of a quartz crystal.

정해진 수정의 형태를 취할 수 없지요.

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

대신 녹은 유리 상태에서의 원자들의 무작위 배열이

is locked in upon cooling.

식는 과정에서 고정되는 것입니다.

Many crystals don’t form geometric shapes

많은 수정들은 기하학적 모양을 만들어내지 않습니다.

because they grow in extremely close quarters with other crystals.

다른 수정들과 너무 근접해있기 때문이지요.

Rocks like granite are full of crystals,

화강암과 같은 암석들은 수정들로 가득하지만

but none have recognizable shapes.

눈에 띄는 형태를 찾아 볼 수는 없습니다.

As magma cools and solidifies,

마그마가 식고 단단해질 때,

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

수많은 미네랄들이 동시에 결정화되고 공간이 부족해지기 때문입니다.

And certain crystals, like turquoise,

그리고 터키석같은 어떤 수정들은

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

대부분의 환경에서 눈에 띄는 기하학적 형태를 취하지 않습니다.

even given adequate space.

충분한 공간이 있어도 마찬가지이지요.

Every crystal’s atomic structure has unique properties,

모든 수정들은 원자 구조는 고유의 특징을 가지고

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

어떤 것들은 인간들에게 매력적으로 느껴지지 않을지라도

they do have powerful applications in materials science and medicine.

여전히 재료과학과 의약에 있어 유용하게 활용되고 있습니다.