Hvordan dannes krystaller?

Fra Hope -diamanten til de skinnende bidder i Folgers -kaffe, krystaller har altid haft magten til at fascinere, inspirerende spåmænd og pryder kejsernes kroner gennem historien. Men krystaller er ikke bare en flok smukke facetter - de glimter med nyttige egenskaber. De giver styrke til bearbejdede metaller, køre vores ure og kør de digitale displays og lysstofrør i det moderne liv.

Åh, og de krydrer vores mad og køler også vores drikkevarer.

Ja, salt, sukker og is er krystaller, også, ligesom perlerne, metaller, fluorescerende maling og flydende krystaller, vi nævnte. Det er en del af deres charme; krystaller kan laves af næsten alt. Faktisk, de fleste mineraler forekommer naturligt i en krystallinsk form [kilde:Smithsonian].

Et fingerpeg om denne allestedsnærværende kan findes i vores daglig tale. Når vi siger, at nogens tanker pludselig "krystalliserer" sig omkring en løsning, vi er alle krystalklare på, hvad det betyder:at et virvar af hvirvlende muligheder løste sig til noget stille og velordnet. Bevidst eller ej, vi forstår, at den væsentlige kvalitet af en krystal er orden - specifikt en almindelig, periodisk arrangement af atomer [kilde:UCSB].

Krystaller kan vokse i en tærteform, et højteknologisk laboratorium eller en sprække dybt i jorden. Opskriften er vildledende enkel:Tag en sky af gas, en pulje af opløsning eller en glop af smeltet sten, overfyld det med det rigtige mineral eller den rette forbindelse, bag derefter i en trykkoger et sted mellem stuetemperatur og varmen i smeltet lava. Men udførelsen af ​​denne opskrift kan kræve en koks kunstfærdighed og omhyggelig kontrol af en bagermester - eller, i tilfælde af naturlige krystaller, dumt held og frygtelig meget tid [kilder:Jagt; Shea; Smithsonian].

Alt andet lige, længere væksttider producerer større krystaller med færre forurenende stoffer [kilder:CU Boulder; UCSB]. Ikke at du altid vil tabe urenhederne:Når alt kommer til alt, det er ubudne gæster som krom, jern og titanium - sammen med aspekter ved atomarrangement - der giver perler deres karakteristiske farver [kilder:Encyclopaedia Britannica; Kay; Smithsonian].

Selvfølgelig, krystaller, ligesom alt andet, har brug for plads til at vokse. Fæld dem i trange kvarterer, og de forbliver små; sylt flere krystallinske mineraler ind i et lille rum som japanske metropendlere, og du ender med krystal konglomerater. Granit, den foretrukne sten af ​​gravsten og bordplader overalt, er et konglomerat af kvarts, feltspat og glimmer krystaller, som vokser, når magma afkøles i trange vulkanske sprækker [kilde:Smithsonian].

Så der har du det:Sådan dyrkes en krystal.

Nu ... hvad var en krystal igen, Nemlig?

1. Hvad er krystaller?
2. Krystalblå overtalelse
3. Jeg smelter med dig
4. Berømte krystaller, jeg har kendt

Hvad er krystaller?

I fysikken, udtrykket "krystal" beskriver et fast stof med indre symmetri og et relateret, almindeligt overflademønster. Denne konfiguration, kaldet krystalstruktur , går så regelmæssigt tilbage, at du kan bruge det til at forudsige organiseringen af ​​atomer i hele krystallen [kilder:Encyclopaedia Britannica; Isaacs et al.].

Hvis dette arrangement fortsætter ud over et par nabostatomer, kaldes det lang rækkefølge , ligner et halvtidsband, der marcherer i formation. Flydende krystaller, som dem, der findes på LCD -skærme, falder normalt ind kort rækkefølge (billede marcheringsbåndet spredningsboring i mindre underenheder). Faste krystaller kan antage begge mønstre. Sådan gør du:Når krystallinske stoffer smelter, de bliver amorf , hvilket betyder, at de kun viser rækkefølge af kort rækkevidde. Når de køler, de kan enten falde tilbage i en langvarig formation eller forblive amorfe, som siliciumbaseret glas [kilder:Arfken et al .; Encyclopaedia Britannica; Isaacs et al.].

Cast i rollen som vores bandmedlemmer er ioner (positivt eller negativt ladede atomer) forbundet med ioniske eller kovalente bindinger. Disse obligationer pakkes op i forskellige kompakte, stabile former kaldet koordinerings polyeder [kilder:Banfield; Hollandske].

For et bedre billede af disse koordineringspolyederer, glem marcheringsbåndet og forestil dig i stedet en geometrisk mosaik som dem, der findes i Alhambra. Visualiser nu mosaikken i tre dimensioner, så dens tesserae (fliser) består af terninger, pyramider og diamantformede faste stoffer, som hver især beskriver arrangementet af atomerne i en given type krystal.

I en silikakrystal, en lille central ion af silicium kan være omgivet af fire større ioner ilt, danner en trekantet pyramide, eller tetraeder. I mangan (II) oxid, en lille central manganion ligger inden for seks større iltioner - en ovenfor, en nedenfor og fire i en firkant omkring midten, danner en tredimensionel diamant, eller oktaeder [kilder:Banfield; Hollandske; Purdue].

Disse 3D-mosaikfliser kan pakkes i flere forskellige mønstre, eller gitter , deler atombindinger i deres hjørner, langs deres kanter eller langs deres ansigter. De samme elementer kan antage forskellige arrangementer, både hvad angår deres "fliseformer" (koordinationspolyeder) og deres mosaikmønstre (gitter). Disse variationer kaldes polymorfer , og de spiller en nøglerolle i bestemmelsen af ​​en krystal egenskaber. Tag kulstof:Arrangeret tetraedrisk, det dannes berømt hårdt, klare diamanter; arrangeret i en lagdelt honningkage, det danner blødt, grå grafit [kilder:hollandsk; Purdue; UCSB].

Krystallisering producerer ikke altid enkeltkrystaller. Sommetider, selvbestillingsprocessen begynder på en række steder, der vokser sammen, danner et patchwork af gitter justeret langs forskellige retninger. Disse polykrystaller , som ofte udvikler sig under hurtig afkøling, har en tendens til at være stærkere end enkeltkrystaller [kilder:Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; University of Virginia]. Ved opvarmning, større krystaller kan absorbere mindre. Så temperatur og tryk, stress og belastning kan påvirke krystallers egenskaber, hvad enten i deres transformation - eller deres skabelse.

Krystaller er almindelige polyeder-tredimensionelle versioner af almindelige polygoner (firkanter bliver til terninger, ligesidet trekanter bliver trekantede pyramider). Alligevel, vækstbetingelser kan forårsage deres ydre udseende, eller krystal vane , at variere dramatisk, producere former beskrevet af eksperter med udtryk som prismatisk, acicular (nålformet), fibrøst, equant (lige i alle retninger), i tabelform, platy (tallerkenlignende), forlænges, stavlignende, drejelig, nåleagtig, uregelmæssig og så videre [kilder:Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; Isaacs et al.].

Krystalblå overtalelse

Hvis al denne snak om krystaller får dig til at klø efter at dyrke noget selv, du er heldig - eller ej alt efter hvad du vil dyrke. Salt eller sukker? Jo da. Kunstige diamanter? Du vil snart se, hvorfor selv Bond -skurken Blofeld besluttede, at det var enklere bare at smugle dem.

Du kan dyrke krystaller på en af ​​tre hovedmåder:fra en damp, fra en opløsning eller fra smelte. Lad os se på hver metode en efter en, begyndende med dampaflejring .

Det faktum, at krystaller kan vokse fra en damp, bør ikke komme som en overraskelse. Trods alt, atmosfæriske iskrystaller - vi kalder dem skyer og snefnug - gør det hele tiden. De akkumuleres, fordi atmosfæren bliver overmættet med fugt:Den indeholder mere vand, end den kan holde ved en given temperatur og tryk, så overskydende vand forlader den gasformige tilstand og tilsluttes til krystallinsk is [kilder:Encyclopaedia Britannica; Libbrecht].

Andre krystalltyper - silicium, for eksempel - kan vokse fra gasser, der er overmættede med nøgleelementer, men kan have brug for et lille kemisk reaktivt løft for at gøre det [kilder:Encyclopaedia Britannica; McKenna].

I de fleste tilfælde, processen begynder med en lille frøkrystal, som andre molekyler binder sig til, lag for lag, når de kommer ud af suspension - meget på den måde, sølvjodidkrystaller hjælper med "skyfrøning" ved at tilvejebringe nukleationssteder for iskrystaller. Processen kræver stor tålmodighed, men det producerer overraskende rene krystaller [kilder:Encyclopaedia Britannica; McKenna].

Vækst fra løsning deler meget til fælles med dampvækst, men væske erstatter gas som det overmættede medium. Salt- og sukkerkrystaller skabt som videnskabelige projekter er gode eksempler på løsningsvoksede krystaller. Den opløste metode udkonkurrerer gasaflejring med hensyn til både væksthastighed og krystalstørrelse. Her er hvorfor:I en gasformig tilstand, det fordampede stof hvirvler i en svimmel wienervals blandt andre gasmolekyler, og det kan tage et stykke tid for de enkelte dansere at forlade gulvet og slutte sig til den krystallinske klik. En løsning fungerer mere som en langsom dans i gymnasiet, komplet med krystaliserende vægblomster, der hænger ud nær overfladen, fremme hurtigere vækst. Dens brugervenlighed forklarer, hvorfor løsningsmetoden dominerede syntetisk krystalvækst i mange år [kilder:Encyclopaedia Britannica; Zaitseva et al.].

Den tredje metode, vækst fra smelte , kræver først afkøling af en gas til flydende tilstand og derefter afkøling af væsken, indtil den opnår krystallinsk fasthed. Smeltemetoden udmærker sig ved fremstilling af polykrystaller, men kan også vokse enkeltkrystaller ved hjælp af teknikker som krystaltrækning, Bridgman -metoden og epitaxy. Lad os se nærmere på hver af dem i det næste afsnit [kilde:Encyclopaedia Britannica].

Krystaller kan prale af en række praktiske kvaliteter, især inden for forbrugerelektronik, hvor de kan fungere som isolatorer eller halvledere. Det piezoelektrisk ejendom , hvor en krystal får en elektrisk ladning, når den klemmes eller smækkes, gør krystaller nyttige i alt fra stuehøjttalere til ultralydsscannere. Piezoelektriske krystaller vibrerer også under en elektrisk ladning. Denne egenskab ved konsekvent svingning gør det muligt for kvartsure og ure at holde pålidelig tid [kilder:Encyclopaedia Britannica; Piezo Institute; Smithsonian].

Jeg smelter med dig

Historisk set voksende krystaller fra smelte var lige så meget kunst som videnskab. I dag, det indebærer en hvilken som helst af en række højteknologiske teknikker, der omhyggeligt styrer vækstbetingelser, nogle gange på molekylær skala.

I krystal trækker , en maskine sænker en frøkrystal, indtil den bare kysser en smelteklod, derefter gradvist bevæger det spirende frø opad, timing af dens bevægelse til at falde sammen med krystalets vækstrate. Ændring af bevægelseshastigheden ændrer krystalets diameter. Producenter vokser siliciumkrystaller med stor diameter, der findes i computerchips på denne måde-hvilket synes passende, da computere også styrer trækprocessen. Tænk på det som livets siliciumcirkel.

Under Bridgman metode , producenter tager en digel (en specialiseret beholder, der bruges til at opvarme stoffer) med en konisk nedre ende, fyld det med smeltet materiale, sænk det derefter til et køligere område. Krystalvækst starter ved den afkølede degelspids, arbejder derefter sin vej op, mens digelen fortsætter nedad. Takket være denne fremgangsmåde, der kommer og går, krystalformationsområdet forbliver inden for en vækstvenlig temperaturzone, indtil, endelig, digelens indhold danner en enkelt krystal [kilder:Encyclopaedia Britannica; Chen et al .; Yu og Cardona].

Epitaxy (fra græsk epi "på" + taxaer "arrangement") minder os om, at nogle gange er den bedste måde at dyrke en krystal oven på en anden krystal. Ikke bare enhver krystal vil gøre, imidlertid. Først, basen, eller substrat, skal være ret fladt, selv i atomskala. Sekund, fordi substratets struktur stærkt påvirker atomarrangementet af vækstkrystal, det skal matche det ønskede vækstgitter så tæt som muligt [kilder:Encyclopaedia Britannica; Fang et al .; Oxford ordbøger; Yu og Cardona]. Forestil dig et komplet stativ billardkugler, og forestil dig derefter at stable flere bolde ovenpå det. Du kan flytte de nye bolde rundt, men de ender altid med at sidde i hulningerne mellem kuglerne nedenunder.

Epitaxy er et bredt begreb, der omfatter en række teknikker [kilder:Encyclopaedia Britannica; Yu og Cardona]:

• Molekylær stråle epitaxy ( MBE ), for eksempel, vokser krystaller lag for lag ved hjælp af stråler af molekyler.
• Syntetiske diamantproducenter stoler på kemisk dampaflejring ( CVD ), en hurtigere tilgang, der handler strålen til fordel for en flydende gas.
• Krystaller beregnet til elektronik er afhængige af flydende fase epitaxy ( LPE ), hvor en krystal vokser på et substrat i en mættet opløsning.

OKAY, det er nok snak om forbrugerelektronik. Vi ved alle, at det ikke betyder noget, hvis du ikke har den bling.

Industrielle diamanter er langt fra de eneste fugazistene på markedet. Syntetiske rubiner har eksisteret siden den franske videnskabsmand Marc Gaudin, der hjalp med at udvikle tørfotografering, fandt ud af, hvordan man dyrker dem i 1873. De forblev temmelig let at opdage indtil omkring 1950, når forskere ramte varmebehandling som en måde at fjerne de mikroskopisk buede vækstmønstre, der afslører stenen som vokset, ikke sået [kilder:Encyclopaedia Britannica; Kay].

High-end armbåndsure dækker undertiden deres ansigter med ridsefast, men skør, syntetisk safir [kilde:BlueDial].

Berømte krystaller, jeg har kendt

Crystal Gayle, Crystal Bernard, Crystal the Monkey - nej, vi mener ikke nogen af ​​dem. Når vi taler om berømte krystaller, er vi, selvfølgelig, henviser til bling. Is. Sten. Næve gnistre.

Juveler.

Ædelsten er krystaller med et bestemt ekstra noget. Kald det pizzazz. Selvom vi har en tendens til at tænke på dem som individuelle sten, mange ædelstene stammer fra de samme mineraler. De eneste forskelle mellem dem er de strukturelle særegenheder og mineral urenheder, der præger dem med deres varemærke farver.

Rubiner og safirer er begge typer korund (krystallinsk aluminiumoxid, eller aluminiumoxid), men mens rubins frodige røde stammer fra små mængder krom, der delvist erstatter aluminium i krystalstrukturen, safirs strålende blues kommer fra urenheder af jern og titan [kilder:Encyclopaedia Britannica; Kay].

Ametyst og citrin er forskellige versioner af kvarts (krystallinsk siliciumdioxid aka silica), som naturligvis er farveløs. Gamle grækere troede, at kvarts var is, der var frosset så hårdt, at det ikke smeltede, så de kaldte det krystallos ("is"), derved giver os ordet krystal. Gullig citrin stammer fra overophedet ametyst, men eksperter er forskellige om, hvad der præcist giver ametyst dens karakteristiske lilla pop. Nogle siger, at det er jernoxid, mens andre favoriserer mangan eller kulbrinter [kilder:Banfield; Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica].

Den silica-rige mineralfamilie, eller silikater, inkluderer turmalin, værdsat både som en ædelsten og for dens piezoelektriske egenskaber, og beryl, en familie af ædelstene bestående af akvamarin (lyseblå-grøn), smaragd (dybgrøn), heliodor (gylden gul) og morganit (pink). Den største krystal, der nogensinde er fundet, var en beryl fra Malakialina, Madagaskar. Den var 18 meter lang og 3,5 meter på tværs, og vejede med en heftig 400 tons (380, 000 kg) [kilder:Banfield; Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica].

Silikater er kun en af ​​flere elementære krystalfamilier. Oxider (herunder den førnævnte korund) indeholder oxygen som en negativt ladet ion; fosfater pakker fosfor; borater brister med bor (B); sulfider og sulfater koger med svovl; og halogenider holder fast ved chlor og andre elementer fra gruppe VIIA i det periodiske system [kilde:Banfield].

Karbonatfamilien indeholder krystaller rige på kulstof og ilt. Juveler ved det bedst for aragonit, en calciumcarbonat -sort, som østers bruger til at bygge perler. Aragonit kan dannes fra enten geologiske eller biologiske processer [kilder:Banfield; Encyclopaedia Britannica].

Sidst men ikke sidst, dybt i den mexicanske delstat Chihuahua ligger der en kalkhule kaldet Cueva de los Cristales, eller Hule af krystaller, skudt igennem med blødt, transparente krystaller af selen (en type gennemsigtigt gips) så store (i boldbanen på 30 fod eller 9 meter) dværger de menneskelige spelunkere [kilde:Shea].

Så hvad er den største krystal overalt i verden? Det kan være i verden - bogstaveligt talt. Ifølge nogle forskere, Jordens indre kerne i månestørrelse kan være en kæmpe jernkrystal [kilde:bred].

Krystals ry som folkemedicin rækker meget længere tilbage end New Age -bevægelsen. Ametyst, for eksempel, får sit navn fra de græske ord, der betyder "ikke beruset." De gamle grækere mente, at amuletter og drikkebeholdere fremstillet af ædelstenen ville beskytte dem mod at blive spidse. Vi gyser over at tænke på, hvad de brugte som tømmermænd.

Masser mere information

Forfatterens note:Hvordan dannes krystaller?

Selvorganiserende systemer, fra økologier til (nogle siger) selve universet, er på deres egen måde lige så bøjende som kaotiske. Ja, nogle har kaldt selvorganisering "anti-kaos" fordi, mens kaos er meget følsomt over for indledende forhold, selvorganiserende systemer begynder med en mangfoldighed af indledende betingelser og ender i stort set den samme sluttilstand.

Organisation og mangfoldighed er det, krystaller handler om. De er defineret ved rækkefølge, men ikke rækkefølge af en enkelt slags. Multiplikiteter - af morfologier, af gitter, af polyeder, nogle gange endda af krystaller - er derfor den samme bunke atomer kan give os diamanter eller blyant bly. Der er noget sublimt i det.

relaterede artikler

• Sådan fungerer Crystal Skulls
• Sådan fungerer kvartsure
• Flydende krystal
• Hvad er forskellen mellem kvarts og flydende krystal?

Kilder

• Arfken, George, Hans Weber og Frank Harris. "Kapitel 31:Periodiske systemer. Matematiske metoder til fysikere." Academic Press. 31. januar, 2012. http://www.elsevierdirect.com/companions/9780123846549/Chap_Period.pdf
• Banfield, Jill. "Hvad er en krystal?" Perle og perle materialer. University of California, Berkeley Department of Earth and Planetary Science. http://nature.berkeley.edu/classes/eps2/wisc/Lect4.html
• BlueDial. "Om Watch Crystals." http://www.bluedial.com/crystal.htm
• Bred, William J. "Jordens kerne kan være en gigantisk krystal fremstillet af jern." New York Times. 4. april kl. 1995. http://www.nytimes.com/1995/04/04/science/the-core-of-the-earth-may-be-a-gigantic-crystal-made-of-iron.html?pagewanted=alle &src =pm
• Chen, Hongbing, Congxin Ge, Rongsheng Li, Jinhao Wang, Changgen Wu og Xianling Zeng. "Vækst af blymolybdatkrystaller ved vertikal Bridgman -metode." Bulletin of Materials Science. Vol. 28, ingen. 6. Side 555. oktober 2005. http://www.ias.ac.in/matersci/bmsoct2005/555.pdf
• Colorado University ved Boulder Institut for Kemi og Biokemi. "Krystallisering." http://orgchem.colorado.edu/Technique/Procedures/Crystallization/Crystallization.html
• de Dios, Angel C. "Faste stoffer og symmetri." Georgetown University. http://bouman.chem.georgetown.edu/S02/lect30/lect30.htm
• Hollandske, Steven. "Samordning." University of Wisconsin-Green Bay. http://www.uwgb.edu/dutchs/Petrology/coordination.htm
• Encyclopaedia Britannica. "Ametyst." http://www.britannica.com/EBchecked/topic/20466/amethyst
• Encyclopaedia Britannica. "Amfibol." http://www.britannica.com/EBchecked/topic/21509/amphibole
• Encyclopaedia Britannica. "Aragonit." http://www.britannica.com/EBchecked/topic/31915/aragonite
• Encyclopaedia Britannica. "Beryl." http://www.britannica.com/EBchecked/topic/62904/beryl
• Encyclopaedia Britannica. "Krystal." http://www.britannica.com/EBchecked/topic/145105/crystal
• Encyclopaedia Britannica. "Igneous Rock." http://www.britannica.com/EBchecked/topic/282318/igneous-rock
• Encyclopaedia Britannica. "Polykrystal." http://www.britannica.com/EBchecked/topic/468425/polycrystal
• Encyclopaedia Britannica. "Kvarts." http://www.britannica.com/EBchecked/topic/486427/quartz
• Encyclopaedia Britannica. "Turmalin." http://www.britannica.com/EBchecked/topic/600820/tourmaline
• Fang, S. F., K.Adomi, S. Iyer, H. Morkoc, H. Zabel, C. Choi og N. Otsuka. Gallium Arsenid og andre sammensatte halvledere på silicium. Journal of Applied Physics. Vol. 68, ingen. 7. Side R31. 1990.
• Jagt, Janet. "Hvordan dannes krystaller?" Cornell Center for Materialeforskning. 19. maj kl. 2005. http://www.ccmr.cornell.edu/education/ask/index.html?quid=742
• Isaacs, Alan, John Daintith og Elizabeth Martin. "Oxford Dictionary of Science." Oxford University Press. 4. udgave. 2003.
• Kay, Robert Woodbury. "Hvordan kan du se, om en rubin er ægte eller falsk? Er der en test, jeg kan gøre?" Cornell Center for Materialeforskning. 20. december kl. 2006. http://www.ccmr.cornell.edu/education/ask/index.html?quid=1195
• Libbrecht, Kenneth G. "En snefnugprimer." California Institute of Technology. http://www.its.caltech.edu/~atomic/snowcrystals/primer/primer.htm
• McKenna, Phil. "Fremstillingsmetode lover billigere Silicon Solar." MIT Technology Review. 15. marts, 2012. http://www.technologyreview.com/news/427225/manufacturing-method-promises-cheaper-silicon-solar/
• Oxford ordbøger. "Epitaxy." http://oxforddictionaries.com/definition/epitaxy
• Piezo Institute. "Daglige anvendelser." http://www.piezoinstitute.com/applications/everydayuses/index.php
• Purdue University College of Science. "Crystal Field Theory." http://chemed.chem.purdue.edu/genchem/topicreview/bp/ch12/crystal.php#8
• Shea, Neil. "Crystal Palace." National geografi. November 2008. http://ngm.nationalgeographic.com/2008/11/crystal-giants/shea-text
• Smithsonian Center for Education and Museum Studies. "Mineraler og krystaller." 2012. http://www.smithsonianeducation.org/educators/lesson_plans/minerals/minerals_crystals.html
• Smithsonian Institution. "Lemelson Center præsenterer:Kvartsuret." http://invention.smithsonian.org/centerpieces/quartz/
• University of California i Santa Barbara. "Hvad er mineraler, Ædelsten og krystaller lavet af? "UCSB Science Line. Http://scienceline.ucsb.edu/getkey.php?key=291
• University of Virginia. "Kapitel 7:Dislokationer og styrkelsesmekanismer." Introduktion til Scientific Engineering of Materials. http://www.virginia.edu/bohr/mse209/chapter7.htm
• Yu, Peter og Manuel Cardona. "Fundamentals of Semiconductors:Physics and Materials Properties." Springer. 2010.
• Zaitseva, Natalia, Leslie Carman, Andrew Glenn, Jason Newby, Michelle Faust, Sebastien Hamel, Nerine Cherepy og Stephen Payne. "Anvendelse af løsningsteknikker til hurtig vækst af organiske krystaller." Journal of Crystal Growth. Vol. 314. Side 163. 2011. https://www-gs.llnl.gov/data/assets/docs/publications/application_solution_techniques.pdf