¿Cómo se hacen los cristales?

Desde el diamante Hope hasta las piezas brillantes del café Folgers, los cristales siempre han tenido el poder de fascinar, inspirar a los adivinos y adornar las coronas de los emperadores a lo largo de la historia. Pero los cristales no son solo un montón de bonitas facetas, brillan con propiedades útiles. Brindan fuerza a los metales trabajados, hacen funcionar nuestros relojes e impulsan las pantallas digitales y las bombillas fluorescentes de la vida moderna.

Ah, y también sazonan nuestra comida y refrescan nuestras bebidas.

Sí, la sal, el azúcar y el hielo también son cristales, al igual que las gemas, los metales, las pinturas fluorescentes y los cristales líquidos que mencionamos. Eso es parte de su encanto; Los cristales se pueden hacer de casi cualquier cosa. De hecho, la mayoría de los minerales se encuentran naturalmente en forma cristalina [fuente: Smithsonian ].

Una pista de esta ubicuidad se puede encontrar en nuestro habla cotidiana. Cuando decimos que los pensamientos de alguien "cristalizan" repentinamente en torno a una solución, todos tenemos muy claro lo que eso significa: que un revoltijo de posibilidades arremolinadas se resolvió en algo tranquilo y ordenado. Conscientemente o no, entendemos que la cualidad esencial de un cristal es el orden, específicamente, una disposición regular y periódica de átomos [fuente: UCSB ].

Los cristales pueden crecer en un molde para pasteles, en un laboratorio de alta tecnología o en una fisura profunda en la Tierra. La receta es engañosamente simple: tome una nube de gas, un charco de solución o un poco de roca derretida, rellénelo con el mineral o compuesto adecuado y luego hornee en una olla a presión entre la temperatura ambiente y el calor de la lava fundida. Pero ejecutar esa receta puede requerir el arte de un chef y el control meticuloso de un maestro panadero o, en el caso de los cristales naturales, suerte tonta y mucho tiempo [fuentes: Caza ; karité ; Smithsonian ].

En igualdad de condiciones, los tiempos de crecimiento más largos producen cristales más grandes con menos contaminantes [fuentes: CU Boulder ; UCSB ]. No es que siempre quieras perder las impurezas: después de todo, son los intrusos como el cromo, el hierro y el titanio, junto con aspectos de la disposición atómica, los que dan a las gemas sus colores característicos [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; kay ; Smithsonian ].

Por supuesto, los cristales, como cualquier otra cosa, necesitan espacio para crecer. Atrápalos en espacios reducidos y permanecerán pequeños; mete varios minerales cristalinos en un espacio pequeño como los viajeros del metro japonés, y terminas con conglomerados de cristal. El granito, la roca favorita de las lápidas y las encimeras en todas partes, es un conglomerado de cristales de cuarzo, feldespato y mica, que crecen a medida que el magma se enfría en estrechas fisuras volcánicas [fuente: Smithsonian ].

Así que ahí lo tienes: cómo hacer crecer un cristal.

Ahora… ¿qué era un cristal de nuevo, exactamente?

1. ¿Qué son los cristales?
2. Persuasión azul cristalino
3. me derretiré contigo
4. Cristales famosos que he conocido

En física, el término "cristal" describe una sustancia sólida con simetría interna y un patrón de superficie regular relacionado. Esta configuración, llamada estructura cristalina , se repite con tanta regularidad que puede usarla para predecir la organización de los átomos en todo el cristal [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; Isaacs et al. ].

Si esta disposición continúa más allá de unos pocos átomos vecinos, se denomina orden de largo alcance , similar a una banda de medio tiempo marchando en formación. Los cristales líquidos, como los que se encuentran en los monitores LCD, por lo general caen en un orden de rango corto (imagínese la banda de marcha perforando en subunidades más pequeñas). Los cristales sólidos pueden asumir cualquier patrón. He aquí cómo: a medida que las sustancias cristalinas se derriten, se vuelven amorfas , lo que significa que solo muestran un orden de corto alcance. A medida que se enfrían, pueden volver a caer en una formación de gran alcance o permanecer amorfos, como el vidrio a base de silicio [fuentes: Arfken et al. ; Enciclopedia Británica ; Isaacs et al. ].

En el papel de los miembros de nuestra banda están los iones (átomos con carga positiva o negativa) unidos por enlaces iónicos o covalentes . Estos enlaces se empaquetan en varias formas compactas y estables llamadas poliedros de coordinación [fuentes: Banfield ; holandés ].

Para representar mejor estos poliedros de coordinación, olvídese de la banda de música y en su lugar imagine un mosaico geométrico como los que se encuentran en la Alhambra. Ahora visualice ese mosaico en tres dimensiones de modo que sus teselas (tejas) consistan en cubos, pirámides y sólidos en forma de diamante, cada uno de los cuales describe la disposición de los átomos en un tipo dado de cristal.

En un cristal de sílice, un pequeño ion central de silicio puede estar rodeado por cuatro iones más grandes de oxígeno, formando una pirámide triangular o tetraedro. En el óxido de manganeso (II), un pequeño ion central de manganeso se encuentra dentro de seis iones de oxígeno más grandes: uno arriba, uno abajo y cuatro en un cuadrado alrededor del medio, formando un diamante tridimensional u octaedro [fuentes: Banfield ; holandés ; Purdue ].

Estos mosaicos tridimensionales pueden empaquetarse en varios patrones diferentes, o celosías , compartiendo enlaces atómicos en sus esquinas, a lo largo de sus bordes o a lo largo de sus caras. Los mismos elementos pueden asumir diferentes arreglos, tanto en términos de sus "formas de mosaico" (poliedros de coordinación) como de sus patrones de mosaico (celosías). Estas variaciones se denominan polimorfos y juegan un papel clave en la determinación de las propiedades de un cristal. Tomemos el carbono: dispuesto tetraédricamente, forma diamantes claros y duros famosos; dispuesto en un panal en capas , forma un grafito gris suave [fuentes: holandés ; Purdue ; UCSB ].

La cristalización no siempre produce monocristales. A veces, el proceso de autoordenamiento comienza en una serie de sitios que crecen juntos, formando un mosaico de celosías alineadas en diferentes direcciones. Estos policristales , que a menudo se desarrollan durante el enfriamiento rápido, tienden a ser más fuertes que los cristales individuales [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; Enciclopedia Británica ; Universidad de Virginia ]. Cuando se calientan, los cristales más grandes pueden absorber los más pequeños. Entonces, la temperatura y la presión, el estrés y la tensión pueden influir en las características de los cristales, ya sea en su transformación o en su creación.

Hacer un hábito de ello

Los cristales son poliedros regulares, versiones tridimensionales de polígonos regulares (los cuadrados se convierten en cubos, los triángulos equiláteros se convierten en pirámides triangulares). Sin embargo, las condiciones de crecimiento pueden causar que su apariencia externa, o hábito cristalino , varíe dramáticamente, produciendo formas descritas por expertos con términos tales como prismático, acicular (en forma de aguja), fibroso, equant (igual en todas las direcciones), tabular, platy ( en forma de placa), alargada, en forma de varilla, en forma de listón, en forma de aguja, irregular, etc. [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; Enciclopedia Británica ; Isaacs et al. ].

Si toda esta charla sobre cristales te tiene con ganas de hacer crecer algunos, estás de suerte, o no, dependiendo de lo que quieras hacer crecer. ¿ Sal o azúcar ? Por supuesto. ¿Diamantes artificiales? Pronto verás por qué incluso el villano de Bond, Blofeld, decidió que era más sencillo pasarlos de contrabando.

Puede hacer crecer cristales en una de las tres formas principales: a partir de un vapor, de una solución o de fusión. Veamos cada método uno por uno, comenzando con la deposición de vapor .

El hecho de que los cristales puedan crecer a partir de un vapor no debería sorprendernos. Después de todo, los cristales de hielo atmosféricos, los llamamos nubes y copos de nieve, lo hacen todo el tiempo. Se acumulan porque la atmósfera se sobresatura con humedad: contiene más agua de la que puede contener a una temperatura y presión determinadas, por lo que el exceso de agua sale del estado gaseoso y se agrega en hielo cristalino [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; Libbrecht ].

Otros tipos de cristales, como el silicio, por ejemplo, pueden crecer a partir de gases sobresaturados con elementos clave, pero podrían necesitar un pequeño impulso químicamente reactivo para hacerlo [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; MacKenna ].

En la mayoría de los casos, el proceso comienza con un diminuto cristal semilla al que se adhieren otras moléculas, capa por capa, a medida que salen de la suspensión, de forma similar a como los cristales de yoduro de plata ayudan en la " siembra de nubes " al proporcionar sitios de nucleación para los cristales de hielo. . El proceso requiere mucha paciencia, pero produce cristales sorprendentemente puros [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; MacKenna ].

El crecimiento de la solución tiene mucho en común con el crecimiento del vapor, pero el líquido reemplaza al gas como medio sobresaturado. Los cristales de sal y azúcar creados como proyectos científicos son buenos ejemplos de cristales cultivados en solución. El enfoque de soluto supera a la deposición de gas en términos de velocidad de crecimiento y tamaño de cristal. He aquí por qué: en estado gaseoso, la sustancia vaporizada gira en un vertiginoso vals vienés entre otras moléculas de gas, y los bailarines individuales pueden tardar un tiempo en abandonar la pista y unirse a la camarilla cristalina. Una solución actúa más como un baile lento de la escuela secundaria, completo con alhelíes cristalizados que cuelgan cerca de la superficie, promoviendo un crecimiento más rápido. Su facilidad de uso explica por qué el enfoque de solución dominó el crecimiento de cristales sintéticos durante muchos años [fuentes: Encyclopaedia Britannica; Zaitseva et al. ].

El tercer método, el crecimiento a partir de la masa fundida , requiere primero enfriar un gas a un estado líquido y luego enfriar el líquido hasta que alcance la solidez cristalina. El método de fusión sobresale en la fabricación de policristales, pero también puede hacer crecer monocristales utilizando técnicas como la extracción de cristales, el método Bridgman y la epitaxia. Echemos un vistazo más de cerca a cada uno en la siguiente sección [fuente: Encyclopaedia Britannica ].

oscilar salvajemente

Los cristales cuentan con una gama de cualidades útiles, particularmente en la electrónica de consumo, donde pueden actuar como aislantes o semiconductores. La propiedad piezoeléctrica , en la que un cristal adquiere una carga eléctrica cuando se aprieta o golpea, hace que los cristales sean útiles en todo, desde los altavoces de la sala de estar hasta los escáneres de ultrasonido. Los cristales piezoeléctricos también vibran bajo una carga eléctrica. Esta propiedad de oscilación constante permite que los relojes de cuarzo mantengan un tiempo confiable [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; Instituto Piezoeléctrico ; Smithsonian ].

Históricamente, el cultivo de cristales a partir del derretimiento era tanto un arte como una ciencia. Hoy en día, implica cualquiera de una serie de técnicas de alta tecnología que controlan meticulosamente las condiciones de crecimiento, a veces a escala molecular.

En la extracción de cristales , una máquina baja una semilla de cristal hasta que apenas besa una gota de derretimiento, luego mueve gradualmente la floreciente semilla hacia arriba, cronometrando su movimiento para que coincida con la tasa de crecimiento del cristal. Cambiar la tasa de movimiento altera el diámetro del cristal. Los fabricantes hacen crecer los cristales de silicio de gran diámetro que se encuentran en los chips de computadora de esta manera, lo que parece apropiado, ya que las computadoras también controlan el proceso de extracción. Piense en ello como el círculo de silicio de la vida.

Según el método Bridgman , los fabricantes toman un crisol (un recipiente especializado que se usa para calentar sustancias) con un extremo inferior cónico, lo llenan con material fundido y luego lo bajan a una región más fría. El crecimiento del cristal comienza en la punta del crisol enfriada, luego se abre camino hacia arriba a medida que el crisol continúa hacia abajo. Gracias a este enfoque de ir y venir, el área de formación de cristales permanece dentro de una zona de temperatura favorable al crecimiento hasta que, finalmente, el contenido del crisol forma un solo cristal [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; Chen et al. ; Yu y Cardona ].

La epitaxia (del griego epi "sobre" + taxis "arreglo") nos recuerda que a veces la mejor manera de hacer crecer un cristal es encima de otro cristal. Sin embargo, no sirve cualquier cristal. Primero, la base, o sustrato, debe ser bastante plana, incluso a escala atómica. En segundo lugar, debido a que la estructura del sustrato influye fuertemente en la disposición atómica del cristal de crecimiento, debe coincidir lo más posible con la red de crecimiento deseada [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; Colmillo et al. ; diccionarios de Oxford ; yu y cardona]. Imagina una estantería llena de bolas de billar y luego imagina apilar más bolas encima. Puede mover las bolas nuevas, pero siempre terminan asentadas en los huecos entre las bolas de abajo.

La epitaxia es un término amplio que abarca una variedad de técnicas [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; Yu y Cardona ]:

Bien, basta de hablar de electrónica de consumo. Todos sabemos que no significa nada si no tienes ese brillo .

Fingiéndolo: rubíes y zafiros

Los diamantes industriales están lejos de ser las únicas piedras fugazi del mercado. Los rubíes sintéticos han existido desde que el científico francés Marc Gaudin, quien ayudó a desarrollar la fotografía de placa seca, descubrió cómo cultivarlos en 1873. Siguieron siendo bastante fáciles de detectar hasta alrededor de 1950, cuando los científicos recurrieron al tratamiento térmico como una forma de eliminar el rubí. patrones de crecimiento curvados microscópicamente que revelan que la piedra creció, no se sembró [fuentes: Encyclopaedia Britannica ; kay ].

Los relojes de pulsera de alta gama a veces cubren sus caras con zafiro sintético resistente a los arañazos, pero quebradizo [fuente: BlueDial ].

Crystal Gayle, Crystal Bernard, Crystal the Monkey... no, no nos referimos a ninguno de esos. Cuando hablamos de cristales famosos nos referimos, por supuesto, al bling. Hielo. rocas. Bengalas de puño.

Joyas.

Las piedras preciosas son cristales con algo extra. Llámalo dinamismo. Aunque tendemos a pensar en ellas como rocas individuales, muchas gemas surgen de los mismos minerales. Las únicas diferencias entre ellos son las idiosincrasias estructurales y las impurezas minerales que los impregnan de sus colores característicos.

Los rubíes y los zafiros son tipos de corindón (óxido de aluminio cristalino o alúmina), pero mientras que los deliciosos rojos del rubí se derivan de pequeñas cantidades de cromo que reemplazan parcialmente al aluminio en la estructura del cristal, los azules brillantes del zafiro provienen de impurezas de hierro y titanio [fuentes: Enciclopedia británica ; 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

La reputación de los cristales como remedios populares se remonta mucho más allá del movimiento New Age. La amatista, por ejemplo, recibe su apodo de las palabras griegas que significan "no intoxicado". Los antiguos griegos creían que los amuletos y recipientes para beber hechos con la piedra preciosa los protegerían de volverse borrachos. Nos estremecemos al pensar qué usaron como remedio para la resaca.

Nota del autor: ¿Cómo se hacen los cristales?

Los sistemas de autoorganización, desde las ecologías hasta (algunos dicen) el universo mismo, son a su manera tan alucinantes como los caóticos. De hecho, algunos han llamado a la autoorganización "anti-caos" porque, mientras que el caos es muy sensible a las condiciones iniciales, los sistemas de autoorganización comienzan con una multiplicidad de condiciones iniciales y terminan virtualmente en el mismo estado final.

La organización y la multiplicidad son de lo que se tratan los cristales. Se definen por orden, pero no por orden de un solo tipo. Las multiplicidades -de morfologías, de redes, de poliedros, a veces incluso de cristales- son la razón por la cual la misma pila de átomos puede darnos diamantes o mina de lápiz. Hay algo sublime en eso.

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