Wie werden Kristalle hergestellt?

Vom Hope-Diamanten bis zu den glänzenden Stücken im Folgers-Kaffee haben Kristalle im Laufe der Geschichte immer die Kraft gehabt, Wahrsager zu inspirieren, Wahrsager zu inspirieren und die Kronen von Kaisern zu schmücken. Aber Kristalle sind nicht nur ein Haufen hübscher Facetten – sie glänzen mit nützlichen Eigenschaften. Sie verleihen bearbeiteten Metallen Kraft, treiben unsere Zeitmesser an und treiben die Digitalanzeigen und Leuchtstofflampen des modernen Lebens an.

Oh, und sie würzen unser Essen und kühlen unsere Getränke auch.

Ja, auch Salz, Zucker und Eis sind Kristalle, genau wie die erwähnten Edelsteine, Metalle, fluoreszierenden Farben und Flüssigkristalle . Das ist Teil ihres Charmes; Kristalle können aus fast allem hergestellt werden. Tatsächlich kommen die meisten Mineralien natürlich in kristalliner Form vor [Quelle: Smithsonian ].

Ein Hinweis auf diese Allgegenwart findet sich in unserer Alltagssprache. Wenn wir sagen, dass sich jemandes Gedanken plötzlich um eine Lösung „kristallisieren“, ist uns allen klar, was das bedeutet: dass sich ein Durcheinander von wirbelnden Möglichkeiten in etwas Stilles und Geordnetes aufgelöst hat. Bewusst oder nicht, wir verstehen, dass die wesentliche Qualität eines Kristalls Ordnung ist – insbesondere eine regelmäßige, periodische Anordnung von Atomen [Quelle: UCSB ].

Kristalle können in einer Backform, einem High-Tech-Labor oder einem Spalt tief in der Erde wachsen. Das Rezept ist verblüffend einfach: Man nehme eine Gaswolke, eine Lache Lösung oder einen Klumpen geschmolzenes Gestein, überfülle sie mit dem richtigen Mineral oder der richtigen Verbindung und backe sie dann in einem Schnellkochtopf irgendwo zwischen Raumtemperatur und der Hitze geschmolzener Lava. Aber die Ausführung dieses Rezepts kann die Kunstfertigkeit eines Kochs und die akribische Kontrolle eines Bäckermeisters erfordern – oder, im Fall von natürlichen Kristallen, dummes Glück und eine Menge Zeit [Quellen: Jagd ; Shea ; Smithsonian ].

Wenn alles andere gleich ist, erzeugen längere Wachstumszeiten größere Kristalle mit weniger Verunreinigungen [Quellen: CU Boulder ; UCSB ]. Nicht, dass Sie die Verunreinigungen immer verlieren möchten: Schließlich sind es Eindringlinge wie Chrom, Eisen und Titan – zusammen mit Aspekten der atomaren Anordnung – die Edelsteinen ihre charakteristischen Farben verleihen [Quellen: Encyclopaedia Britannica ; Kai ; Smithsonian ].

Of course, crystals, like anything else, need room to grow. Trap them in cramped quarters and they stay small; jam several crystalline minerals into a small space like Japanese subway commuters, and you end up with crystal conglomerates. Granite, the favored rock of tombstones and countertops everywhere, is a conglomeration of quartz, feldspar and mica crystals, which grow as magma cools in cramped volcanic fissures [source: Smithsonian].

So there you have it: how to grow a crystal.

Now ... what was a crystal again, exactly?

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In physics, the term "crystal" describes a solid substance with internal symmetry and a related, regular surface pattern. This configuration, called the crystal structure, recurs so regularly that you can use it to predict the organization of atoms throughout the crystal [sources: Encyclopaedia Britannica; Isaacs et al. ].

If this arrangement carries on beyond a few neighboring atoms it is called long-range order, akin to a half-time band marching in formation. Liquid crystals, like those found in LCD monitors, usually fall into short-range order (picture the marching band scatter-drilling into smaller subunits). Solid crystals can assume either pattern. Here's how: As crystalline substances melt, they become amorphous, meaning they display only short-range order. As they cool, they can either fall back into a long-rage formation or remain amorphous, like silicon-based glass [sources: Arfken et al. ; Encyclopaedia Britannica; Isaacs et al. ].

Cast in the role of our band members are ions (positively or negatively charged atoms) linked up by ionic or covalent bonds . These bonds pack up into various compact, stable shapes called coordination polyhedra [sources: Banfield; Dutch].

To better picture these coordination polyhedra, forget the marching band and instead picture a geometric mosaic like those found in the Alhambra. Now visualize that mosaic in three dimensions so that its tesserae (tiles) consist of cubes, pyramids and diamond-shaped solids, each of which describes the arrangement of the atoms in a given type of crystal.

In einem Quarzkristall könnte ein kleines zentrales Siliziumion von vier größeren Sauerstoffionen umgeben sein, die eine dreieckige Pyramide oder einen Tetraeder bilden. In Mangan(II)-oxid liegt ein kleines zentrales Manganion innerhalb von sechs größeren Sauerstoffionen – eines darüber, eines darunter und vier in einem Quadrat um die Mitte herum – und bildet einen dreidimensionalen Diamanten oder Oktaeder [Quellen: Banfield ; Niederländisch ; Purdue ].

Diese 3-D-Mosaikfliesen können in mehrere verschiedene Muster oder Gitter gepackt werden, wobei sie an ihren Ecken, entlang ihrer Kanten oder entlang ihrer Flächen atomare Bindungen teilen. Dieselben Elemente können unterschiedliche Anordnungen annehmen, sowohl in Bezug auf ihre "Fliesenformen" (Koordinationspolyeder) als auch in Bezug auf ihre Mosaikmuster (Gitter). Diese Variationen werden als Polymorphe bezeichnet und spielen eine Schlüsselrolle bei der Bestimmung der Eigenschaften eines Kristalls. Nehmen Sie Kohlenstoff: Tetraedrisch angeordnet, bildet es berühmt harte, klare Diamanten; in einer geschichteten Wabe angeordnet , bildet es weichen, grauen Graphit [Quellen: Niederländisch ; Purdue ; UCSB ].

Kristallisation erzeugt nicht immer Einkristalle. Manchmal beginnt der Selbstordnungsprozess an einer Reihe von Stellen, die zusammenwachsen und ein Flickenteppich aus Gittern bilden, die in verschiedene Richtungen ausgerichtet sind. Diese Polykristalle , die sich oft während einer schnellen Abkühlung entwickeln, neigen dazu, stärker zu sein als Einkristalle [Quellen: Encyclopaedia Britannica ; Enzyklopädie Britannica ; Universität Virginia ]. Beim Erhitzen können größere Kristalle kleinere absorbieren. So können Temperatur und Druck, Spannung und Dehnung die Eigenschaften von Kristallen beeinflussen, sei es bei ihrer Umwandlung – oder ihrer Entstehung.

Es zur Gewohnheit machen

Kristalle sind regelmäßige Polyeder – dreidimensionale Versionen regelmäßiger Polygone (Quadrate werden zu Würfeln, gleichseitige Dreiecke werden zu dreieckigen Pyramiden). Dennoch können die Wachstumsbedingungen dazu führen, dass ihr äußeres Erscheinungsbild oder ihre Kristallform dramatisch variieren und Formen erzeugen, die von Experten mit Begriffen wie prismatisch, nadelförmig (nadelförmig), faserig, gleich (in alle Richtungen gleich), tafelförmig, plattig ( plattenförmig), länglich, stabförmig, lattenförmig, nadelförmig, unregelmäßig usw. [Quellen: Encyclopaedia Britannica ; Enzyklopädie Britannica ; Isaacset al. ].

Wenn all das Gerede über Kristalle Sie dazu bringt, selbst welche zu züchten, haben Sie Glück – oder nicht, je nachdem, was Sie züchten möchten. Salz oder Zucker ? Sicher. Künstliche Diamanten? Sie werden bald sehen, warum sogar Bond-Bösewicht Blofeld entschied, dass es einfacher ist, sie einfach zu schmuggeln.

Sie können Kristalle auf drei Arten züchten: aus einem Dampf, aus einer Lösung oder aus einer Schmelze. Sehen wir uns jede Methode einzeln an, beginnend mit der Dampfabscheidung .

Die Tatsache, dass Kristalle aus einem Dampf wachsen können, sollte nicht überraschen. Schließlich tun atmosphärische Eiskristalle – wir nennen sie Wolken und Schneeflocken – die ganze Zeit. Sie sammeln sich an, weil die Atmosphäre mit Feuchtigkeit übersättigt wird : Sie enthält mehr Wasser, als sie bei einer bestimmten Temperatur und einem bestimmten Druck aufnehmen kann, sodass überschüssiges Wasser den gasförmigen Zustand verlässt und sich zu kristallinem Eis aggregiert [Quellen: Encyclopaedia Britannica ; Librecht ].

Andere Kristallarten – zum Beispiel Silizium – können aus Gasen wachsen, die mit Schlüsselelementen übersättigt sind, benötigen dafür aber möglicherweise einen kleinen chemisch reaktiven Schub [Quellen: Encyclopaedia Britannica ; McKenna ].

In den meisten Fällen beginnt der Prozess mit einem winzigen Impfkristall, an dem sich Schicht für Schicht andere Moleküle anlagern, wenn sie aus der Suspension kommen – ähnlich wie Silberjodidkristalle beim „ Wolkenimpfen “ helfen, indem sie Keimbildungsstellen für Eiskristalle bereitstellen . Das Verfahren erfordert viel Geduld, aber es produziert überraschend reine Kristalle [Quellen: Encyclopaedia Britannica ; McKenna ].

Wachstum aus Lösung hat viel mit Dampfwachstum gemeinsam, aber Flüssigkeit ersetzt Gas als übersättigtes Medium. Als wissenschaftliche Projekte hergestellte Salz- und Zuckerkristalle sind gute Beispiele für aus Lösung gezüchtete Kristalle. Der Ansatz mit gelösten Stoffen übertrifft die Gasabscheidung sowohl hinsichtlich der Wachstumsgeschwindigkeit als auch der Kristallgröße. Der Grund: Im gasförmigen Zustand wirbelt die verdampfte Substanz in einem schwindelerregenden Wiener Walzer zwischen anderen Gasmolekülen, und es kann eine Weile dauern, bis einzelne Tänzer den Boden verlassen und sich der kristallinen Clique anschließen. Eine Lösung wirkt eher wie ein langsamer Highschool-Tanz, komplett mit kristallisierenden Mauerblümchen, die nahe der Oberfläche hängen und ein schnelleres Wachstum fördern. Seine Benutzerfreundlichkeit erklärt, warum der Lösungsansatz viele Jahre lang die synthetische Kristallzüchtung dominierte [Quellen: Encyclopaedia Britannica; Zaitseva et al. ].

Die dritte Methode, das Wachstum aus der Schmelze , erfordert zuerst das Abkühlen eines Gases in einen flüssigen Zustand und dann das Abkühlen der Flüssigkeit, bis sie kristalline Festigkeit erreicht. Das Schmelzverfahren eignet sich hervorragend zur Herstellung von Polykristallen, kann aber auch Einkristalle mit Techniken wie Kristallziehen, dem Bridgman-Verfahren und Epitaxie züchten. Schauen wir uns die einzelnen im nächsten Abschnitt genauer an [Quelle: Encyclopaedia Britannica ].

Wild oszillieren

Kristalle haben eine Reihe praktischer Eigenschaften, insbesondere in der Unterhaltungselektronik, wo sie als Isolatoren oder Halbleiter fungieren können. Die piezoelektrische Eigenschaft , bei der ein Kristall beim Drücken oder Schlagen eine elektrische Ladung annimmt, macht Kristalle in allem nützlich, von Wohnzimmerlautsprechern bis hin zu Ultraschallscannern. Piezoelektrische Kristalle vibrieren auch unter einer elektrischen Ladung. Diese Eigenschaft der gleichmäßigen Schwingung ermöglicht es Quarzuhren, die Zeit zuverlässig zu halten [Quellen: Encyclopaedia Britannica ; Piezo-Institut ; Smithsonian ].

Historisch gesehen war das Züchten von Kristallen aus der Schmelze ebenso Kunst wie Wissenschaft. Heute umfasst es eine Reihe von High-Tech-Techniken, die die Wachstumsbedingungen akribisch kontrollieren, manchmal auf molekularer Ebene.

Beim Kristallziehen senkt eine Maschine einen Impfkristall, bis er gerade einen Klumpen Schmelze küsst, und bewegt dann den aufkeimenden Samen allmählich nach oben, wobei seine Bewegung zeitlich auf die Wachstumsrate des Kristalls abgestimmt wird. Das Ändern der Bewegungsrate ändert den Durchmesser des Kristalls. Hersteller züchten auf diese Weise die in Computerchips enthaltenen Siliziumkristalle mit großem Durchmesser – was angemessen erscheint, da Computer auch den Ziehprozess steuern. Betrachten Sie es als den Siliziumkreis des Lebens.

Bei der Bridgman-Methode nehmen die Hersteller einen Tiegel (ein spezieller Behälter zum Erhitzen von Substanzen) mit einem konischen unteren Ende, füllen ihn mit geschmolzenem Material und senken ihn dann in einen kühleren Bereich. Das Kristallwachstum beginnt an der gekühlten Tiegelspitze und arbeitet sich dann nach oben, während der Tiegel weiter nach unten geht. Dank diesem Kommen-und-Gehen-Ansatz bleibt der Kristallbildungsbereich in einer wachstumsfreundlichen Temperaturzone, bis schließlich der Inhalt des Tiegels einen Einkristall bildet [Quellen: Encyclopaedia Britannica ; Chenet al. ; Yu und Cardona ].

Epitaxie (von griechisch epi „auf“ + taxis „Anordnung“) erinnert uns daran, dass manchmal der beste Weg, einen Kristall zu züchten, auf einem anderen Kristall liegt. Es reicht jedoch nicht irgendein Kristall. Erstens muss die Basis oder das Substrat selbst im atomaren Maßstab ziemlich flach sein. Da zweitens die Struktur des Substrats die atomare Anordnung des Wachstumskristalls stark beeinflusst, sollte es dem gewünschten Wachstumsgitter so gut wie möglich entsprechen [Quellen: Encyclopaedia Britannica ; Fanget al. ; Oxford-Wörterbücher ; Yu und Cardona]. Stellen Sie sich ein volles Gestell mit Billardkugeln vor und stellen Sie sich dann vor, wie Sie weitere Kugeln darauf stapeln. Sie können die neuen Kugeln verschieben, aber sie landen immer in den Vertiefungen zwischen den darunter liegenden Kugeln.

Epitaxie ist ein weiter Begriff, der eine Reihe von Techniken umfasst [Quellen: Encyclopaedia Britannica ; Yu und Cardona ]:

OK, that's enough talk about consumer electronics. We all know that it don't mean a thing if you ain't got that bling .

Faking It: Rubies and Sapphires

Industrial diamonds are far from the only fugazi stones on the market. Synthetic rubies have been around since French scientist Marc Gaudin, who helped develop dry-plate photography, figured out how to grow them in 1873. They remained fairly easy to detect until around 1950, when scientists hit on heat treatment as a way to remove the microscopically curved growth patterns that reveal the stone as grown, not sown [sources: Encyclopaedia Britannica; Kay].

High-end wristwatches sometimes cover their faces with scratch-resistant, but brittle, synthetic sapphire [source: BlueDial].

Crystal Gayle, Crystal Bernard, Crystal the Monkey -- no, we don't mean any of those. When we speak of famous crystals we are, of course, referring to bling. Ice. Rocks. Fist sparklers.

Jewels.

Gemstones are crystals with a certain extra something. Call it pizzazz. Although we tend to think of them as individual rocks, many gemstones arise from the same minerals. The only differences between them are the structural idiosyncrasies and mineral impurities that imbue them with their trademark colors.

Rubies and sapphires are both types of corundum (crystalline aluminum oxide, or alumina), but while ruby's luscious reds derive from tiny amounts of chromium that partially replace aluminum in the crystal structure, sapphire's brilliant blues come from iron and titanium impurities [sources: Encyclopaedia Britannica; Kay].

Amethyst and citrine are different versions of quartz (crystalline silicon dioxide aka silica), which is naturally colorless. Ancient Greeks thought quartz was ice that had frozen so hard it wouldn't melt, so they called it krystallos ("ice"), thereby giving us the word crystal. Yellowish citrine arises from overheated amethyst, but experts differ over what precisely gives amethyst its characteristic purple pop. Some say it's iron oxide, while others favor manganese or hydrocarbons [sources: Banfield; Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica].

The silica-rich mineral family, or silicates, includes tourmaline, valued both as a gemstone and for its piezoelectric properties, and beryl, a family of gems comprising aquamarine (pale blue-green), emerald (deep green), heliodor (golden yellow) and morganite (pink). The biggest crystal ever found was a beryl from Malakialina, Madagascar. It measured 59 feet (18 meters) long and 11 feet (3.5 meters) across, and weighed in at a hefty 400 tons (380,000 kilograms) [sources: Banfield; Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica].

Silicates are only one of several elemental crystal families. Oxides (including the aforementioned corundum) contain oxygen as a negatively charged ion; phosphates pack phosphorus; borates burst with boron (B); sulfides and sulfates seethe with sulfur; and halides hold fast to chlorine and other elements from group VIIA in the periodic table [source: Banfield].

The carbonate family contains crystals rich in carbon and oxygen. Jewelers know it best for aragonite, a calcium carbonate variety that oysters use to build pearls. Aragonite can form from either geological or biological processes [sources: Banfield; Encyclopaedia Britannica].

Last but not last, deep in the Mexican state of Chihuahua there lies a limestone cavern dubbed the Cueva de los Cristales, or Cave of Crystals, shot through with soft, transparent crystals of selenium (a type of transparent gypsum) so large (in the ballpark of 30 feet or 9 meters) they dwarf human spelunkers [source: Shea].

So what's the biggest crystal anywhere in the world? It might be in the world -- literally. According to some scientists, Earth's moon -sized inner core could be one giant iron crystal [source: Broad].

You're Looking a Bit Purple in the Face

Crystals' reputation as folk remedies reaches back a lot further than the New Age movement. Amethyst, for example, gets its moniker from the Greek words meaning "not intoxicated." The ancient Greeks believed that amulets and drinking vessels made from the gemstone would protect them from becoming tipsy. We shudder to think what they used as a hangover remedy.

Author's Note: How are crystals made?

Self-organizing systems, from ecologies to (some say) the universe itself, are in their own way as mind-bending as chaotic ones. Indeed, some have called self-organization "anti-chaos" because, while chaos is highly sensitive to initial conditions, self-organizing systems begin with a multiplicity of initial conditions and end up in virtually the same final state.

Organization and multiplicity are what crystals are all about. They are defined by order, but not order of a single kind. Multiplicities -- of morphologies, of lattices, of polyhedra, sometimes even of crystals -- are why the same pile of atoms can give us diamonds or pencil lead. There's something sublime in that.

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