How do crystals work? - Graham Baird

Переводчик: Антон Замараев Редактор: Ростислав Голод

Deep beneath the geysers and hot springs of Yellowstone Caldera

Глубоко под гейзерами и горячими источниками Йеллоустонской кальдеры

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

залегает магматическая камера,

образовавшаяся благодаря горячей точке в ​​мантии Земли.

As the magma moves towards the Earth’s surface,

По мере движения магмы к поверхности Земли,

it crystallizes to form young, hot igneous rocks.

она кристаллизуется, образуя новые горячие вулканические породы.

The heat from these rocks drives groundwater towards the surface.

Тепло от этих пород выталкивает грунтовые воды на поверхность.

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

По мере остывания воды, ионы оседают в виде минеральных кристаллов,

including quartz crystals from silicon and oxygen,

в том числе кристаллов кварца из кремния и ​​кислорода,

feldspar from potassium, aluminum, silicon, and oxygen,

полевого шпата из калия, алюминия, кремния и кислорода,

galena from lead and sulfur.

галенита из свинца и серы.

Many of these crystals have signature shapes—

Многие из этих кристаллов имеют характерную форму —

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

например друза заострённого кварца или кубические сингонии галенита.

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

Но что заставляет их постоянно принимать одну и ту же форму?

Part of the answer lies in their atoms.

Ответ частично заключается в структуре их атомов.

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

Атомы любого кристалла образуют строго структурированную, повторяющуюся укладку.

This pattern is the defining feature of a crystal,

Эта укладка является определяющей особенностью кристалла

and isn’t restricted to minerals—

и не ограничивается лишь минералами.

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

Кристаллическую структуру имеют

песок, лёд, сахар, шоколад, керамика, металлы, ДНК и даже некоторые жидкости.

and even some liquids have crystalline structures.

Each crystalline material’s atomic arrangement

Атомная структура любого кристаллического материала

falls into one of six different families:

относится к одной из шести групп:

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

кубической, тетрагональной, ромбической, моноклинной, триклинной и гексагональной.

Given the appropriate conditions,

При благоприятных условиях

crystals will grow into geometric shapes

кристаллы вырастут и приобретут геометрические формы,

that reflect the arrangement of their atoms.

соответствующие расположению их атомов.

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

Так, галенит имеет кубическую структуру, состоящую из атомов свинца и серы.

The relatively large lead atoms

Относительно крупные атомы свинца

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

расположены в трёхмерной сетке под углом 90 градусов друг к другу,

while the relatively small sulfur atoms fit neatly between them.

а между ними аккуратно помещаются относительно небольшие атомы серы.

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

По мере роста кристалла такие участки притягивают атомы серы,

while lead will tend to bond to these places.

в то время как свинец их связывает.

Eventually, they will complete the grid of bonded atoms.

В конце концов вся сетка связанных атомов будет заполнена.

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

Это означает, что 90-градусная сетка кристаллической структуры галенита

is reflected in the visible shape of the crystal.

придаёт кристаллу его видимую форму.

Quartz, meanwhile, has a hexagonal crystalline structure.

Кварц имеет гексагональную кристаллическую структуру.

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

Это означает, что на плоскости его атомы расположены в шестиугольниках.

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

В трёхмерном пространстве шестиугольники являются набором взаимосвязанных пирамид,

made up of one silicon atom and four oxygen atoms.

состоящих из одного атома кремния и ​​четырёх атомов кислорода.

So the signature shape of a quartz crystal

Таким образом, характерная форма кристалла кварца

is a six-sided column with pointed tips.

представляет собой шестигранную колонну с заострёнными концами.

Depending on environmental conditions,

В зависимости от условий окружающей среды,

most crystals have the potential to form multiple geometric shapes.

многие кристаллы стремятся принять одну из нескольких геометрических форм.

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

Например, бриллианты, которые образуются глубоко в мантии Земли,

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

имеют кубическую структуру и вырастают либо в кубы, либо в октаэдры.

Which shape a particular diamond grows into

Форма каждого конкретного бриллианта

depends on the conditions where it grows,

зависит от условий, в которых он растёт,

including pressure, temperature, and chemical environment.

включая давление, температуру и ​​химическую среду.

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

Хотя мы не можем непосредственно наблюдать условия роста в мантии,

laboratory experiments have shown some evidence

в ходе лабораторных экспериментов получены доказательства,

that diamonds tend to grow into cubes at lower temperatures

что бриллианты склонны вырастать в кубы при более низких температурах

and octahedrons at higher temperatures.

и в октаэдры — при более высоких температурах.

Trace amounts of water, silicon, germanium, or magnesium

Незначительное количество воды, кремния, германия или магния

might also influence a diamond’s shape.

тоже может влиять на форму бриллианта.

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

В естественных условиях бриллианты никогда не приобретут формы драгоценностей:

those diamonds have been cut to showcase sparkle and clarity.

ювелиры специально обтачивают их, обнажая прозрачность и блеск.

Environmental conditions can also influence whether crystals form at all.

В некоторых условиях окружающей среды кристаллы вовсе не образуются.

Glass is made of melted quartz sand,

Стекло изготавливают из расплавленного кварцевого песка,

but it isn’t crystalline.

но оно не обладает кристаллической решёткой.

That’s because glass cools relatively quickly,

Это происходит, потому что стекло остывает относительно быстро,

and the atoms do not have time to arrange themselves

и атомы не успевают расположиться

into the ordered structure of a quartz crystal.

в упорядоченную структуру кристалла кварца.

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

Вместо этого случайное расположение атомов в расплавленном стекле

is locked in upon cooling.

закрепляется при охлаждении.

Many crystals don’t form geometric shapes

Многие кристаллы не образуют геометрических форм,

because they grow in extremely close quarters with other crystals.

потому что растут в непосредственной близости от других кристаллов.

Rocks like granite are full of crystals,

Горные породы, подобные граниту, полны кристаллов,

but none have recognizable shapes.

которые не принимают узнаваемой формы.

As magma cools and solidifies,

По мере остывания и затвердевания магмы

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

минералы кристаллизуются параллельно, быстро заполняя свободное пространство.

And certain crystals, like turquoise,

Некоторые кристаллы, например бирюза,

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

в большинстве условий окружающей среды не принимают заметную форму

even given adequate space.

даже при наличии достаточного пространства.

Every crystal’s atomic structure has unique properties,

Атомная структура каждого кристалла обладает уникальными свойствами,

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

и хотя эти свойства не обязательно порадуют глаз,

they do have powerful applications in materials science and medicine.

они могут оказаться весьма ценными для нужд науки и медицины.