How do crystals work? - Graham Baird

Перекладач: Ярослав Стригун Утверджено: Khrystyna Romashko

Deep beneath the geysers and hot springs of Yellowstone Caldera

Глибоко під гейзерами й гарячими джерелами Єллоустоунської кальдери

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

лежить магматична комора, утворена гарячою точкою у земній мантії.

As the magma moves towards the Earth’s surface,

Рухаючись в бік земної поверхні,

it crystallizes to form young, hot igneous rocks.

магма кристалізується та утворює молоді магматичні породи.

The heat from these rocks drives groundwater towards the surface.

Тепло, що виділяється цими породами, змушує підземні води рухатися вгору.

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

При охолодженні води іони осідають на стінках каналів у вигляді кристалів:

including quartz crystals from silicon and oxygen,

як-от кристали кварцу, що складаються з іонів силіцію та оксигену,

feldspar from potassium, aluminum, silicon, and oxygen,

польового шпату — з іонів кальцію, алюмінію, силіцію та оксигену,

galena from lead and sulfur.

галеніту — з іонів плюмбуму та сульфуру.

Many of these crystals have signature shapes—

Більшість цих кристалів мають свою унікальну форму:

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

як ось цей каскад шпилястого кварцу або це скупчення кубічного галеніту.

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

Але чому ці кристали формують такі фігури знову і знову?

Part of the answer lies in their atoms.

Відповідь криється в їхніх атомах.

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

Атоми кристалів утворюють чітко організовану та повторювану структуру.

This pattern is the defining feature of a crystal,

Це і є визначальною особливістю кристалів,

and isn’t restricted to minerals—

до яких належать не тільки мінерали.

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

Пісок, лід, цукор, шоколад, кераміка, метали, ДНК

and even some liquids have crystalline structures.

та навіть деякі рідини — усі вони мають кристалічну будову.

Each crystalline material’s atomic arrangement

Кристалічні ґратки, які формують атоми певного матеріалу,

falls into one of six different families:

можна розділити на шість груп:

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

кубічна, тетрагональна, ромбічна, моноклінна, тригональна та гексагональна.

Given the appropriate conditions,

За сприятливих умов

crystals will grow into geometric shapes

кристали виростають у певну геометричну фігуру,

that reflect the arrangement of their atoms.

якій відповідає розміщення атомів всередині них.

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

Галеніт, що має форму куба, складається з атомів плюмбуму та сульфуру.

The relatively large lead atoms

Достатньо великі атоми плюмбуму

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

розміщуються в тривимірну ґратку під кутом 90° один до одного,

while the relatively small sulfur atoms fit neatly between them.

тоді як порівняно малі атоми сульфуру розташовуються точнісінько між ними.

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

З ростом кристалу такі конструкції приваблюють інші атоми сульфуру,

while lead will tend to bond to these places.

тоді як плюмбум буде зв'язувати їх між собою.

Eventually, they will complete the grid of bonded atoms.

Зрештою утвориться суцільна ґратка зв'язаних між собою атомів.

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

Це означає, що прямокутна модель кристалічної ґратки галеніту

is reflected in the visible shape of the crystal.

повністю відтворює характерну для цього кристала форму.

Quartz, meanwhile, has a hexagonal crystalline structure.

Кварц, з іншого боку, має гексагональну кристалічну форму.

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

Це означає, що його атоми утворюють правильний шестикутник.

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

У тривимірному просторі ці шестикутники утворені купою взаємопов'язаних пірамід,

made up of one silicon atom and four oxygen atoms.

що складаються з одного атома силіцію та чотирьох атомів оксигену.

So the signature shape of a quartz crystal

Таким чином характерною формою кристалів кварцу

is a six-sided column with pointed tips.

є шестикутник, загострений на кінцях.

Depending on environmental conditions,

Залежно від умов середовища

most crystals have the potential to form multiple geometric shapes.

більшість кристалів можуть утворювати різноманітні геометричні форми.

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

Наприклад, алмази, які народжуються глибоко в земній мантії,

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

мають кубічну кристалічну ґратку, але вони також можуть виростати і в октаедри.

Which shape a particular diamond grows into

Форму, яку матиме алмаз,

depends on the conditions where it grows,

визначають умови, в яких він зростає:

including pressure, temperature, and chemical environment.

тиск, температура та хімічне середовище.

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

Оскільки не можливо безпосередньо спостерігати ріст кристалу в мантії,

laboratory experiments have shown some evidence

були проведені дослідження, які виявили,

that diamonds tend to grow into cubes at lower temperatures

що алмази схильні мати кубічну форму при низьких температурах

and octahedrons at higher temperatures.

та октаедричну — при високих.

Trace amounts of water, silicon, germanium, or magnesium

Навіть незначна кількість води, силіцію, германію чи магнію

might also influence a diamond’s shape.

може також впливати на те, яким буде той чи інший алмаз.

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

До речі, природні алмази ніколи не мають такої форми, яку можна знайти в прикрасах.

those diamonds have been cut to showcase sparkle and clarity.

Такі алмази обробляють та відшліфовуюють до блиску для вітрин ювелірних магазинів.

Environmental conditions can also influence whether crystals form at all.

Навколишнє середовище також може впливати на структуру кристала.

Glass is made of melted quartz sand,

Скло виробляють із розплавленого кварцового піску,

but it isn’t crystalline.

але це не є кристалом,

That’s because glass cools relatively quickly,

бо скло охолоджується досить швидко, а тому

and the atoms do not have time to arrange themselves

його атоми просто не встигають сформувати

into the ordered structure of a quartz crystal.

таку цільну ґратку, як у кристалів кварцу.

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

Натомість атоми розплавленого скла розташовуються хаотично,

is locked in upon cooling.

саме через швидке охолодження.

Many crystals don’t form geometric shapes

Багато кристалів не мають правильної геометричної форми,

because they grow in extremely close quarters with other crystals.

тому що ростуть надзвичайного близько один до одного.

Rocks like granite are full of crystals,

Граніти, наприклад, рясніють кристалами,

but none have recognizable shapes.

але жоден із них не має правильної форми.

As magma cools and solidifies,

Коли магма охолоджується та застигає,

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

мінерали всередині кристалізуються так само, стикаючись один з одним.

And certain crystals, like turquoise,

Деякі кристали, такі як бірюза,

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

не утворюють якоїсь впізнаваної форми за звичайних умов,

even given adequate space.

навіть якщо для цього достатньо простору.

Every crystal’s atomic structure has unique properties,

Кожна кристалічна система має свої унікальні особливості,

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

і якщо ці особливості не в змозі задовольнити наші естетичні потреби,

they do have powerful applications in materials science and medicine.

вони можуть бути успішно використані в науці та медицині.