Cristalli di quarzo giganti dal Messico sono illuminati per i loro ammiratori al Crystal Caves Museum di Atherton, Australia. © Stuart Westmorland/Science Faction/Corbis Dal diamante Hope ai pezzi lucenti del caffè Folgers, i cristalli hanno sempre avuto il potere di affascinare, ispirando indovini e adornando le corone degli imperatori nel corso della storia. Ma i cristalli non sono solo un mucchio di belle sfaccettature:brillano di proprietà utili. Danno forza ai metalli lavorati, gestisci i nostri orologi e guida i display digitali e le lampadine fluorescenti della vita moderna.
Oh, e condiscono il nostro cibo e rinfrescano anche le nostre bevande.
Sì, sale, zucchero e ghiaccio sono cristalli, pure, proprio come le gemme, metalli, vernici fluorescenti e cristalli liquidi di cui abbiamo parlato. Fa parte del loro fascino; i cristalli possono essere fatti da qualsiasi cosa. Infatti, la maggior parte dei minerali si trova naturalmente in forma cristallina [fonte:Smithsonian].
Un indizio di questa ubiquità può essere trovato nel nostro discorso quotidiano. Quando diciamo che i pensieri di qualcuno improvvisamente si "cristallizzano" attorno a una soluzione, siamo tutti chiarissimi su cosa significhi:che un guazzabuglio di possibilità vorticose si è risolto in qualcosa di fermo e ordinato. Consapevolmente o no, comprendiamo che la qualità essenziale di un cristallo è l'ordine, in particolare, un regolare, disposizione periodica degli atomi [fonte:UCSB].
I cristalli possono crescere in una tortiera da bancone, un laboratorio high-tech o una fessura nel profondo della Terra. La ricetta è ingannevolmente semplice:prendi una nuvola di gas, una pozza di soluzione o una goccia di roccia fusa, riempirlo con il giusto minerale o composto, quindi cuocere in una pentola a pressione a una temperatura compresa tra la temperatura ambiente e il calore della lava fusa. Ma l'esecuzione di quella ricetta può richiedere l'abilità artistica di uno chef e il controllo meticoloso di un mastro fornaio - o, nel caso dei cristalli naturali, fortuna stupida e un sacco di tempo [fonti:caccia; karitè; Smithson].
Tutto il resto è uguale, tempi di crescita più lunghi producono cristalli più grandi con meno contaminanti [fonti:CU Boulder; UCSB]. Non che tu voglia sempre perdere le impurità:dopotutto, sono intrusi come il cromo, ferro e titanio - insieme ad aspetti della disposizione atomica - che danno alle gemme i loro colori caratteristici [fonti:Encyclopaedia Britannica; Kay; Smithson].
Certo, cristalli, come qualsiasi altra cosa, bisogno di spazio per crescere. Intrappolali in spazi angusti e rimangono piccoli; inserire diversi minerali cristallini in un piccolo spazio come i pendolari della metropolitana giapponese, e ti ritrovi con conglomerati di cristallo. Granito, la roccia preferita di lapidi e controsoffitti ovunque, è un agglomerato di quarzo, cristalli di feldspato e mica, che crescono mentre il magma si raffredda nelle fessure vulcaniche anguste [fonte:Smithsonian].
Ecco qua:come far crescere un cristallo.
Ora... cos'era di nuovo un cristallo, Esattamente?
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L'industria ha tutti i tipi di usi per questi nascenti cristalli di sale di rame soprannominati vetriolo blu. Dorling Kindersley/Getty Images In fisica, il termine "cristallo" descrive una sostanza solida con simmetria interna e una relativa, modello di superficie regolare. Questa configurazione, chiamato il struttura di cristallo , ricorre così regolarmente che puoi usarlo per prevedere l'organizzazione degli atomi in tutto il cristallo [fonti:Encyclopaedia Britannica; Isaacs et al.].
Se questa disposizione continua oltre alcuni atomi vicini si chiama ordine a lungo raggio , simile a una banda a metà tempo che marcia in formazione. Cristalli liquidi, come quelli che si trovano nei monitor LCD, di solito cadi in ordine a corto raggio (immaginate la banda musicale che si disperde in subunità più piccole). I cristalli solidi possono assumere entrambi i modelli. Ecco come:quando le sostanze cristalline si sciolgono, diventano amorfo , il che significa che mostrano solo l'ordine a corto raggio. Mentre si raffreddano, possono ricadere in una formazione a lungo raggio o rimanere amorfi, come il vetro a base di silicio [fonti:Arfken et al.; Enciclopedia Britannica; Isaacs et al.].
Nel ruolo dei membri della nostra band ci sono ioni (atomi con carica positiva o negativa) legati da legami ionici o covalenti. Questi legami si impacchettano in vari compatti, forme stabili chiamate poliedri di coordinazione [fonti:Banfield; Olandese].
Per descrivere meglio questi poliedri di coordinazione, dimentica la banda musicale e immagina invece un mosaico geometrico come quelli trovati nell'Alhambra. Ora visualizza quel mosaico in tre dimensioni in modo che le sue tessere (tessere) siano costituite da cubi, piramidi e solidi a forma di diamante, ognuno dei quali descrive la disposizione degli atomi in un dato tipo di cristallo.
In un cristallo di silice, un piccolo ione centrale di silicio potrebbe essere circondato da quattro ioni più grandi di ossigeno, formando una piramide triangolare, o tetraedro. Nell'ossido di manganese (II), un piccolo ione centrale di manganese si trova all'interno di sei ioni di ossigeno più grandi - uno sopra, uno sotto e quattro in un quadrato intorno al centro, formando un diamante tridimensionale, o ottaedro [fonti:Banfield; Olandese; Purdu].
Queste tessere di mosaico 3D possono essere impacchettate in diversi modelli, o reticoli , condividendo legami atomici ai loro angoli, lungo i loro bordi o lungo le loro facce. Gli stessi elementi possono assumere disposizioni diverse, sia in termini di "forme di mattonelle" (poliedri di coordinazione) che di motivi a mosaico (reticoli). Queste variazioni sono chiamate polimorfi , e svolgono un ruolo chiave nel determinare le proprietà di un cristallo. Prendi il carbonio:disposto tetraedricamente, si forma notoriamente duro, diamanti chiari; disposti a nido d'ape a strati, si forma morbida, grafite grigia [fonti:olandese; purdu; UCSB].
La cristallizzazione non produce sempre cristalli singoli. Qualche volta, il processo di autoordinazione inizia in una serie di siti che crescono insieme, formando un mosaico di reticoli allineati lungo direzioni diverse. Queste policristalli , che spesso si sviluppano durante un rapido raffreddamento, tendono ad essere più forti dei singoli cristalli [fonti:Encyclopaedia Britannica; Enciclopedia Britannica; Università della Virginia]. Quando riscaldato, i cristalli più grandi possono assorbire quelli più piccoli. Quindi temperatura e pressione, lo stress e la deformazione possono influenzare le caratteristiche dei cristalli, sia nella loro trasformazione, sia nella loro creazione.
Prenderci l'abitudineI cristalli sono poliedri regolari -- versioni tridimensionali di poligoni regolari (i quadrati diventano cubi, i triangoli equilateri diventano piramidi triangolari). Tuttavia, condizioni di crescita possono causare il loro aspetto esterno, o abito di cristallo , variare drasticamente, producendo forme descritte da esperti con termini come prismatico, aciculare (a forma di ago), fibroso, equant (uguale in tutte le direzioni), tabellare, platy (piatto), allungare, simile a una verga, assillante, come un ago, irregolare e così via [fonti:Encyclopaedia Britannica; Enciclopedia Britannica; Isaacs et al.].
Forse l'unico tipo di cristallo che hai provato a catturare sulla tua lingua? iStockphoto/Thinkstock Se tutto questo parlare di cristalli ti fa venire voglia di coltivarne un po' da solo, sei fortunato o no, dipende da cosa vuoi coltivare. Sale o zucchero? Sicuro. Diamanti artificiali? Vedrai presto perché anche il cattivo di Bond Blofeld ha deciso che era più semplice contrabbandarli.
Puoi far crescere i cristalli in uno dei tre modi principali:da un vapore, da una soluzione o da fusione. Diamo un'occhiata a ciascun metodo uno per uno, iniziando con deposizione di vapore .
Il fatto che i cristalli possano crescere da un vapore non dovrebbe sorprendere. Dopotutto, i cristalli di ghiaccio atmosferici - li chiamiamo nuvole e fiocchi di neve - lo fanno sempre. Si accumulano perché l'atmosfera diventa supersaturo con umidità:contiene più acqua di quanta ne possa contenere a una data temperatura e pressione, quindi l'acqua in eccesso lascia lo stato gassoso e si aggrega in ghiaccio cristallino [fonti:Encyclopaedia Britannica; Libbrecht].
Altri tipi di cristalli:silicio, per esempio - può crescere da gas sovrasaturati con elementi chiave, ma potrebbe aver bisogno di una piccola spinta chimicamente reattiva per farlo [fonti:Encyclopaedia Britannica; McKenna].
Nella maggior parte dei casi, il processo inizia con un minuscolo cristallo seme a cui si attaccano altre molecole, strato per strato, quando escono dalla sospensione, proprio come i cristalli di ioduro d'argento aiutano nella "semina delle nuvole" fornendo siti di nucleazione per i cristalli di ghiaccio. Il processo richiede grande pazienza, ma produce cristalli sorprendentemente puri [fonti:Encyclopaedia Britannica; McKenna].
Crescita dalla soluzione condivide molto in comune con la crescita del vapore, ma il liquido sostituisce il gas come mezzo sovrasaturo. I cristalli di sale e zucchero creati come progetti scientifici sono buoni esempi di cristalli cresciuti in soluzione. L'approccio del soluto supera la deposizione di gas in termini sia di velocità di crescita che di dimensioni dei cristalli. Ecco perché:allo stato gassoso, la sostanza vaporizzata volteggia in un vertiginoso valzer viennese tra altre molecole di gas, e può volerci un po' prima che i singoli ballerini lascino la pista e si uniscano alla cricca cristallina. Una soluzione agisce più come un ballo lento del liceo, completo di wallflowers cristallizzanti che pendono vicino alla superficie, promuovere una crescita più rapida. La sua facilità d'uso spiega perché l'approccio della soluzione ha dominato la crescita dei cristalli sintetici per molti anni [fonti:Encyclopaedia Britannica; Zaitseva et al.].
Il terzo metodo, crescita da fusione , richiede prima il raffreddamento di un gas allo stato liquido e poi il raffreddamento del liquido fino a raggiungere la solidità cristallina. Il metodo di fusione eccelle nella produzione di policristalli, ma può anche far crescere cristalli singoli utilizzando tecniche come l'estrazione dei cristalli, il metodo Bridgman e l'epitassia. Diamo un'occhiata più da vicino a ciascuno nella prossima sezione [fonte:Encyclopaedia Britannica].
Oscilla selvaggiamenteI cristalli vantano una gamma di qualità utili, in particolare nell'elettronica di consumo, dove possono agire come isolanti o semiconduttori. Il proprietà piezoelettrica , in cui un cristallo acquisisce una carica elettrica quando viene schiacciato o schiaffeggiato, rende i cristalli utili in tutto, dagli altoparlanti del soggiorno agli scanner a ultrasuoni. I cristalli piezoelettrici vibrano anche sotto una carica elettrica. Questa proprietà di oscillazione coerente consente agli orologi e agli orologi al quarzo di mantenere il tempo affidabile [fonti:Encyclopaedia Britannica; Istituto piezoelettrico; Smithson].
Circa 1975:il tecnico di laboratorio senior Charles Young osserva i cristalli di zaffiro crescere in un coltivatore di cristalli presso lo stabilimento Corning Glass Canada Road. I cristalli sono stati utilizzati nelle lampade a vapori di sodio. © Nathan Benn/CORBIS Storicamente, far crescere cristalli dalla fusione era tanto arte quanto scienza. Oggi, comporta una qualsiasi delle numerose tecniche ad alta tecnologia che controllano meticolosamente le condizioni di crescita, a volte su scala molecolare.
In cristallo che tira , una macchina abbassa un seme di cristallo fino a baciare appena una goccia di scioglimento, poi sposta gradualmente il seme germogliante verso l'alto, sincronizzare il suo movimento in modo che coincida con il tasso di crescita del cristallo. La modifica della velocità di movimento altera il diametro del cristallo. I produttori coltivano in questo modo i cristalli di silicio di grande diametro che si trovano nei chip dei computer, il che sembra appropriato, poiché i computer controllano anche il processo di estrazione. Pensalo come il cerchio di silicio della vita.
Sotto il Metodo Bridgman , i produttori prendono un crogiolo (un contenitore specializzato utilizzato per riscaldare le sostanze) con un'estremità inferiore conica, riempirlo di materiale fuso, quindi abbassarlo in una regione più fresca. La crescita dei cristalli inizia dalla punta del crogiolo raffreddata, poi si fa strada mentre il crogiolo continua verso il basso. Grazie a questo approccio in continua evoluzione, l'area di formazione dei cristalli rimane all'interno di una zona di temperatura favorevole alla crescita fino a quando, finalmente, il contenuto del crogiolo forma un unico cristallo [fonti:Encyclopaedia Britannica; Chen et al.; Yu e Cardona].
epitassia (dal greco epi "su" + Taxi "arrangiamento") ci ricorda che a volte il modo migliore per far crescere un cristallo è sopra un altro cristallo. Non va bene un cristallo qualsiasi, però. Primo, la base, o substrato, deve essere abbastanza piatto, anche su scala atomica. Secondo, perché la struttura del substrato influenza fortemente la disposizione atomica del cristallo di crescita, dovrebbe corrispondere il più possibile al reticolo di crescita desiderato [fonti:Encyclopaedia Britannica; Fang et al.; Dizionari Oxford; Yu e Cardona]. Immagina un intero rack di palle da biliardo e poi immagina di impilare più palle sopra di esso. Puoi spostare le nuove palle in giro, ma finiscono sempre per sedersi nelle cavità tra le palle sottostanti.
L'epitassia è un termine ampio che comprende una serie di tecniche [fonti:Encyclopaedia Britannica; Yu e Cardona]:
OK, basta parlare di elettronica di consumo. Sappiamo tutti che non significa niente se non hai quel luccichio.
Fingere:Rubini e ZaffiriI diamanti industriali sono tutt'altro che le uniche pietre fugazi sul mercato. I rubini sintetici esistono da quando lo scienziato francese Marc Gaudin, che ha contribuito a sviluppare la fotografia a lastra secca, capì come coltivarli nel 1873. Rimasero abbastanza facili da individuare fino al 1950 circa, quando gli scienziati hanno scoperto il trattamento termico come un modo per rimuovere i modelli di crescita microscopicamente curvi che rivelano che la pietra è cresciuta, non seminato [fonti:Encyclopaedia Britannica; Kai].
Gli orologi da polso di fascia alta a volte coprono i loro volti con antigraffio, ma fragile, zaffiro sintetico [fonte:BlueDial].
Per saperne di più
Cristallo Gayle, Bernardo di cristallo, Crystal la Scimmia -- no, non intendiamo nessuno di quelli. Quando parliamo di cristalli famosi siamo, Certo, riferendosi a bling. Ghiaccio. rocce. Stelle filanti di pugno.
Gioielli.
Le pietre preziose sono cristalli con qualcosa in più. Chiamalo pizzazz. Sebbene tendiamo a pensarli come singole rocce, molte gemme derivano dagli stessi minerali. Le uniche differenze tra loro sono le idiosincrasie strutturali e le impurità minerali che li impregnano dei loro colori caratteristici.
Rubini e zaffiri sono entrambi tipi di corindone (ossido di alluminio cristallino, o allumina), ma mentre i rossi lussureggianti del rubino derivano da minuscole quantità di cromo che sostituiscono parzialmente l'alluminio nella struttura cristallina, i blu brillanti dello zaffiro provengono da impurità di ferro e titanio [fonti:Encyclopaedia Britannica; Kai].
Ametista e citrino sono diverse versioni di quarzo (biossido di silicio cristallino noto anche come silice), che è naturalmente incolore. Gli antichi greci pensavano che il quarzo fosse ghiaccio che si era congelato così forte che non si sarebbe sciolto, così lo chiamavano cristalli ("Ghiaccio"), dandoci così la parola cristallo. Il citrino giallastro deriva dall'ametista surriscaldata, ma gli esperti differiscono su ciò che dà esattamente all'ametista il suo caratteristico pop viola. Alcuni dicono che è ossido di ferro, mentre altri preferiscono il manganese o gli idrocarburi [fonti:Banfield; Enciclopedia Britannica; Enciclopedia Britannica].
La famiglia di minerali ricchi di silice, o silicati, include tormalina, apprezzata sia come gemma che per le sue proprietà piezoelettriche, e berillo, una famiglia di gemme composta da acquamarina (azzurro-verde chiaro), smeraldo (verde intenso), eliodoro (giallo dorato) e morganite (rosa). Il cristallo più grande mai trovato era un berillo di Malakialina, Madagascar. Misurava 59 piedi (18 metri) di lunghezza e 11 piedi (3,5 metri) di diametro, e pesava ben 400 tonnellate (380, 000 chilogrammi) [fonti:Banfield; Enciclopedia Britannica; Enciclopedia Britannica].
I silicati sono solo una delle numerose famiglie di cristalli elementari. Gli ossidi (compreso il suddetto corindone) contengono ossigeno come ione caricato negativamente; i fosfati impaccano il fosforo; i borati scoppiano con boro (B); solfuri e solfati ribolleno di zolfo; e gli alogenuri si attaccano al cloro e ad altri elementi del gruppo VIIA nella tavola periodica [fonte:Banfield].
La famiglia dei carbonati contiene cristalli ricchi di carbonio e ossigeno. I gioiellieri lo sanno meglio per l'aragonite, una varietà di carbonato di calcio che le ostriche usano per costruire le perle. L'aragonite può formarsi da processi geologici o biologici [fonti:Banfield; Enciclopedia Britannica].
Ultimo ma non ultimo, nel profondo dello stato messicano di Chihuahua si trova una caverna calcarea soprannominata la Cueva de los Cristales, o Grotta dei Cristalli, attraversato con morbido, cristalli trasparenti di selenio (un tipo di gesso trasparente) così grandi (nel campo da baseball di 30 piedi o 9 metri) da far sembrare nani gli speleologi umani [fonte:Shea].
Allora qual è il cristallo più grande del mondo? Potrebbe essere nel mondo -- letteralmente. Secondo alcuni scienziati, Il nucleo interno delle dimensioni della luna della Terra potrebbe essere un gigantesco cristallo di ferro [fonte:Broad].
Sembri un po' viola in facciaLa reputazione dei cristalli come rimedi popolari risale a molto più indietro rispetto al movimento New Age. Ametista, Per esempio, prende il suo soprannome dalle parole greche che significano "non intossicato". Gli antichi greci credevano che amuleti e recipienti per bere realizzati con la pietra preziosa li avrebbero protetti dall'ubriacarsi. Rabbrividiamo al pensiero di cosa usassero come rimedio per i postumi di una sbornia.
Sistemi auto-organizzati, dalle ecologie a (alcuni dicono) l'universo stesso, sono a modo loro sconcertanti quanto quelli caotici. Infatti, alcuni hanno chiamato l'auto-organizzazione "anti-caos" perché, mentre il caos è molto sensibile alle condizioni iniziali, i sistemi auto-organizzati iniziano con una molteplicità di condizioni iniziali e finiscono praticamente nello stesso stato finale.
L'organizzazione e la molteplicità sono ciò che sono i cristalli. Sono definiti per ordine, ma non un ordine di un solo tipo. Molteplicità - di morfologie, di reticoli, di poliedri, a volte anche di cristalli:ecco perché la stessa pila di atomi può darci diamanti o mina. C'è qualcosa di sublime in questo.
