Comment sont fabriqués les cristaux ?

Du diamant Hope aux morceaux brillants du café Folgers, les cristaux ont toujours eu le pouvoir de fasciner, d'inspirer les devins et d'orner les couronnes des empereurs à travers l'histoire. Mais les cristaux ne sont pas seulement un tas de jolies facettes - ils brillent avec des propriétés utiles. Ils donnent de la force aux métaux travaillés, font fonctionner nos garde-temps et pilotent les affichages numériques et les ampoules fluorescentes de la vie moderne.

Oh, et ils assaisonnent nos plats et refroidissent également nos boissons.

Oui, le sel, le sucre et la glace sont aussi des cristaux, tout comme les pierres précieuses, les métaux, les peintures fluorescentes et les cristaux liquides que nous avons mentionnés. Cela fait partie de leur charme; les cristaux peuvent être fabriqués à partir d'à peu près n'importe quoi. En fait, la plupart des minéraux se présentent naturellement sous une forme cristalline [source : Smithsonian ].

Un indice de cette ubiquité se trouve dans notre discours quotidien. Lorsque nous disons que les pensées de quelqu'un se "cristallisent" soudainement autour d'une solution, nous savons tous clairement ce que cela signifie : qu'un fouillis de possibilités tourbillonnantes s'est résolu en quelque chose de calme et d'ordonné. Consciemment ou non, nous comprenons que la qualité essentielle d'un cristal est l'ordre - en particulier, un arrangement régulier et périodique d'atomes [source : UCSB ].

Les cristaux peuvent pousser dans un moule à tarte de comptoir, un laboratoire de haute technologie ou une fissure profonde dans la Terre. La recette est d'une simplicité trompeuse : prenez un nuage de gaz, une mare de solution ou un glop de roche fondue, remplissez-le avec le bon minéral ou composé, puis faites cuire dans un autocuiseur à quelque part entre la température ambiante et la chaleur de la lave en fusion. Mais l'exécution de cette recette peut nécessiter le talent artistique d'un chef et le contrôle méticuleux d'un maître boulanger - ou, dans le cas des cristaux naturels, une chance stupide et énormément de temps [sources : Hunting ; karité ; Smithsonien ].

Toutes choses étant égales par ailleurs, des temps de croissance plus longs produisent des cristaux plus gros avec moins de contaminants [sources : CU Boulder ; UCSB ]. Non pas que vous vouliez toujours perdre les impuretés : après tout, ce sont des intrus comme le chrome, le fer et le titane -- ainsi que certains aspects de l'arrangement atomique -- qui donnent aux pierres précieuses leurs couleurs caractéristiques [sources : Encyclopaedia Britannica ; Kay ; Smithsonien ].

Bien sûr, les cristaux, comme toute autre chose, ont besoin d'espace pour se développer. Piégez-les dans des espaces exigus et ils resteront petits ; enfermez plusieurs minéraux cristallins dans un petit espace comme les navetteurs du métro japonais, et vous vous retrouvez avec des conglomérats de cristal. Le granit, la roche préférée des pierres tombales et des comptoirs partout, est un conglomérat de cristaux de quartz, de feldspath et de mica, qui se développent lorsque le magma se refroidit dans des fissures volcaniques exiguës [source : Smithsonian ].

Alors voilà : comment faire pousser un cristal.

Maintenant... qu'est-ce qu'un cristal déjà, exactement ?

Contenu

1. Que sont les cristaux ?
2. Cristal Bleu Persuasion
3. Je fondrai avec toi
4. Cristaux célèbres que j'ai connus

En physique, le terme "cristal" décrit une substance solide avec une symétrie interne et un motif de surface régulier et apparenté. Cette configuration, appelée structure cristalline , se reproduit si régulièrement que vous pouvez l'utiliser pour prédire l'organisation des atomes dans le cristal [sources : Encyclopaedia Britannica ; Isaacs et al. ].

Si cet arrangement se poursuit au-delà de quelques atomes voisins, il est appelé ordre à longue portée , apparenté à une bande à mi-temps marchant en formation. Les cristaux liquides, comme ceux trouvés dans les moniteurs LCD, tombent généralement dans un ordre à courte portée (imaginez la dispersion de la fanfare en sous-unités plus petites). Les cristaux solides peuvent adopter l'un ou l'autre modèle. Voici comment : à mesure que les substances cristallines fondent, elles deviennent amorphes , ce qui signifie qu'elles n'affichent qu'un ordre à courte portée. En refroidissant, ils peuvent soit retomber dans une formation à longue rage, soit rester amorphes, comme le verre à base de silicium [sources : Arfken et al. ; Encyclopédie Britannica ; Isaacs et al. ].

Dans le rôle des membres de notre bande sont des ions (atomes chargés positivement ou négativement) liés par des liaisons ioniques ou covalentes . Ces liaisons se regroupent en diverses formes compactes et stables appelées polyèdres de coordination [sources : Banfield ; néerlandais ].

Pour mieux imaginer ces polyèdres de coordination, oubliez la fanfare et imaginez plutôt une mosaïque géométrique comme celles que l'on trouve à l'Alhambra. Visualisez maintenant cette mosaïque en trois dimensions de sorte que ses tesselles (carreaux) se composent de cubes, de pyramides et de solides en forme de losange, chacun décrivant l'arrangement des atomes dans un type de cristal donné.

Dans un cristal de silice, un petit ion central de silicium peut être entouré de quatre plus gros ions d'oxygène, formant une pyramide triangulaire ou tétraèdre. Dans l'oxyde de manganèse(II), un petit ion manganèse central se trouve dans six ions d'oxygène plus grands -- un au-dessus, un en-dessous et quatre dans un carré autour du milieu, formant un diamant tridimensionnel, ou octaèdre [sources : Banfield ; néerlandais ; Purdue ].

Ces carreaux de mosaïque 3D peuvent se regrouper en plusieurs motifs différents, ou treillis , partageant des liaisons atomiques à leurs coins, le long de leurs bords ou le long de leurs faces. Les mêmes éléments peuvent prendre des dispositions différentes, à la fois en termes de "formes de tuiles" (polyèdres de coordination) et de motifs en mosaïque (treillis). Ces variations sont appelées polymorphes et jouent un rôle clé dans la détermination des propriétés d'un cristal. Prenez le carbone : disposé en tétraèdre, il forme des diamants clairs et durs réputés ; disposé dans un nid d' abeilles en couches , il forme un graphite doux et gris [sources : hollandais ; Purdue ; UCSB ].

La cristallisation ne produit pas toujours des monocristaux. Parfois, le processus d'auto-commande commence sur un certain nombre de sites qui grandissent ensemble, formant un patchwork de réseaux alignés dans des directions différentes. Ces polycristaux , qui se développent souvent lors d'un refroidissement rapide, ont tendance à être plus résistants que les monocristaux [sources : Encyclopaedia Britannica ; Encyclopédie Britannica ; Université de Virginie ]. Lorsqu'ils sont chauffés, les cristaux plus gros peuvent absorber les plus petits. Ainsi, la température et la pression, le stress et la déformation peuvent influencer les caractéristiques des cristaux, que ce soit dans leur transformation ou leur création.

En faire une habitude

Les cristaux sont des polyèdres réguliers - des versions tridimensionnelles de polygones réguliers (les carrés deviennent des cubes, les triangles équilatéraux deviennent des pyramides triangulaires). Néanmoins, les conditions de croissance peuvent faire varier considérablement leur apparence externe, ou habitude cristalline , produisant des formes décrites par des experts avec des termes tels que prismatique, aciculaire (en forme d'aiguille), fibreuse, équante (égale dans toutes les directions), tabulaire, lamellaire ( en forme de plaque), allongé, en forme de tige, en forme de latte, en forme d'aiguille, irrégulier, etc. [sources : Encyclopaedia Britannica ; Encyclopédie Britannica ; Isaacs et al. ].

Si toutes ces discussions sur les cristaux vous donnent envie d'en faire pousser vous-même, vous avez de la chance - ou pas, selon ce que vous voulez faire pousser. Sel ou sucre ? Bien sûr. Diamants artificiels ? Vous comprendrez bientôt pourquoi même le méchant de Bond, Blofeld, a décidé qu'il était plus simple de les faire passer en contrebande.

Vous pouvez faire pousser des cristaux de l'une des trois manières principales suivantes : à partir d'une vapeur, d'une solution ou d'une fusion. Examinons chaque méthode une par une, en commençant par le dépôt en phase vapeur .

Le fait que des cristaux puissent se développer à partir d'une vapeur ne devrait pas surprendre. Après tout, les cristaux de glace atmosphériques - nous les appelons nuages ​​et flocons de neige - le font tout le temps. Ils s'accumulent parce que l'atmosphère devient sursaturée en humidité : elle contient plus d'eau qu'elle ne peut en contenir à une température et une pression données, donc l'excès d'eau quitte l'état gazeux et s'agrège en glace cristalline [sources : Encyclopaedia Britannica ; Libbrecht ].

D'autres types de cristaux - le silicium, par exemple - peuvent se développer à partir de gaz sursaturés en éléments clés, mais peuvent avoir besoin d'un petit coup de pouce chimiquement réactif pour le faire [sources : Encyclopaedia Britannica ; McKenna ].

Dans la plupart des cas, le processus commence par un minuscule cristal germe auquel d'autres molécules s'attachent, couche par couche, à mesure qu'elles sortent de la suspension - de la même manière que les cristaux d'iodure d'argent aident à " ensemencer les nuages " en fournissant des sites de nucléation pour les cristaux de glace. . Le procédé demande beaucoup de patience, mais il produit des cristaux étonnamment purs [sources : Encyclopaedia Britannica ; McKenna ].

La croissance à partir de la solution partage beaucoup de points communs avec la croissance de la vapeur, mais le liquide remplace le gaz en tant que milieu sursaturé. Les cristaux de sel et de sucre créés dans le cadre de projets scientifiques sont de bons exemples de cristaux développés en solution. L'approche soluté surpasse le dépôt de gaz en termes de vitesse de croissance et de taille des cristaux. Voici pourquoi : à l'état gazeux, la substance vaporisée tourbillonne dans une valse viennoise vertigineuse parmi d'autres molécules de gaz, et cela peut prendre un certain temps pour que les danseurs individuels quittent la piste et rejoignent la clique cristalline. Une solution agit plus comme une danse lente de lycée, avec des giroflées cristallisées qui pendent près de la surface, favorisant une croissance plus rapide. Sa convivialité explique pourquoi l'approche par solution a dominé la croissance des cristaux synthétiques pendant de nombreuses années [sources : Encyclopaedia Britannica; Zaitseva et al. ].

La troisième méthode, la croissance à partir de la fusion , nécessite d'abord de refroidir un gaz à l'état liquide, puis de refroidir le liquide jusqu'à ce qu'il atteigne une solidité cristalline. La méthode de fusion excelle dans la fabrication de polycristaux, mais peut également faire croître des monocristaux en utilisant des techniques telles que l'extraction de cristaux, la méthode Bridgman et l'épitaxie. Examinons chacun d'eux de plus près dans la section suivante [source : Encyclopaedia Britannica ].

Osciller sauvagement

Les cristaux présentent une gamme de qualités pratiques, en particulier dans l'électronique grand public, où ils peuvent agir comme isolants ou semi-conducteurs. La propriété piézoélectrique , dans laquelle un cristal acquiert une charge électrique lorsqu'il est pressé ou frappé, rend les cristaux utiles dans tout, des haut-parleurs de salon aux scanners à ultrasons. Les cristaux piézoélectriques vibrent également sous une charge électrique. Cette propriété d'oscillation constante permet aux horloges et montres à quartz de conserver une heure fiable [sources : Encyclopaedia Britannica ; Institut Piezo ; Smithsonien ].

Historiquement, faire pousser des cristaux à partir de la fonte était autant un art qu'une science. Aujourd'hui, il s'agit de l'une ou l'autre de plusieurs techniques de pointe qui contrôlent méticuleusement les conditions de croissance, parfois à l'échelle moléculaire.

Dans l'extraction de cristal , une machine abaisse un cristal germe jusqu'à ce qu'il embrasse un globe de fonte, puis déplace progressivement la graine en plein essor vers le haut, en chronométrant son mouvement pour qu'il coïncide avec le taux de croissance du cristal. Changer la vitesse de déplacement modifie le diamètre du cristal. Les fabricants font croître les cristaux de silicium de grand diamètre que l'on trouve dans les puces informatiques de cette manière - ce qui semble approprié, puisque les ordinateurs contrôlent également le processus d'extraction. Considérez-le comme le cercle de silicium de la vie.

Selon la méthode Bridgman , les fabricants prennent un creuset (un récipient spécialisé utilisé pour chauffer des substances) avec une extrémité inférieure conique, le remplissent de matériau fondu, puis l'abaissent dans une région plus froide. La croissance des cristaux démarre à la pointe du creuset refroidie, puis remonte au fur et à mesure que le creuset continue vers le bas. Grâce à ce va-et-vient, la zone de formation des cristaux reste dans une zone de température propice à la croissance jusqu'à ce que, finalement, le contenu du creuset forme un monocristal [sources : Encyclopaedia Britannica ; Chen et al. ; Yu et Cardona ].

L' épitaxie (du grec epi "sur" + taxis "arrangement") nous rappelle que parfois la meilleure façon de faire pousser un cristal est au-dessus d'un autre cristal. Cependant, pas n'importe quel cristal. Premièrement, la base, ou le substrat, doit être assez plat, même à l'échelle atomique. Deuxièmement, parce que la structure du substrat influence fortement l'arrangement atomique du cristal de croissance, il doit correspondre le plus possible au réseau de croissance souhaité [sources : Encyclopaedia Britannica ; Fan et al. ; Dictionnaires d'Oxford ; Yu et Cardona]. Imaginez un rack plein de boules de billard, puis imaginez empiler plus de boules dessus. Vous pouvez déplacer les nouvelles boules, mais elles finissent toujours par s'asseoir dans les creux entre les boules en dessous.

L'épitaxie est un terme large englobant une gamme de techniques [sources : Encyclopaedia Britannica ; Yu et Cardona ] :

OK, assez parlé d'électronique grand public. Nous savons tous que ça ne veut rien dire si tu n'as pas ce bling .

Faire semblant : rubis et saphirs

Les diamants industriels sont loin d'être les seules pierres fugazi sur le marché. Les rubis synthétiques existent depuis que le scientifique français Marc Gaudin, qui a aidé à développer la photographie sur plaque sèche, a découvert comment les cultiver en 1873. Ils sont restés assez faciles à détecter jusqu'en 1950 environ, lorsque les scientifiques ont opté pour le traitement thermique comme moyen d'éliminer le des motifs de croissance incurvés au microscope qui révèlent la pierre telle qu'elle a poussé et non semée [sources : Encyclopaedia Britannica ; Kay ].

Les montres-bracelets haut de gamme couvrent parfois leur visage de saphir synthétique résistant aux rayures, mais cassant [source : BlueDial ].

Crystal Gayle, Crystal Bernard, Crystal the Monkey - non, nous ne parlons d'aucun de ceux-là. Lorsque nous parlons de cristaux célèbres, nous parlons bien sûr de bling. Glace. Rochers. Cierges de poing.

Bijoux.

Les pierres précieuses sont des cristaux avec un petit quelque chose en plus. Appelez ça du piquant. Bien que nous ayons tendance à les considérer comme des roches individuelles, de nombreuses pierres précieuses proviennent des mêmes minéraux. Les seules différences entre eux sont les idiosyncrasies structurelles et les impuretés minérales qui les imprègnent de leurs couleurs de marque.

Les rubis et les saphirs sont tous deux des types de corindon (oxyde d'aluminium cristallin ou alumine), mais alors que les rouges succulents du rubis dérivent de minuscules quantités de chrome qui remplacent partiellement l'aluminium dans la structure cristalline, les bleus brillants du saphir proviennent d'impuretés de fer et de titane [sources : Encyclopaedia Britannique ; Kay ].

L'améthyste et la citrine sont différentes versions du quartz (dioxyde de silicium cristallin alias silice), qui est naturellement incolore. Les anciens Grecs pensaient que le quartz était de la glace qui avait gelé si fort qu'elle ne fondrait pas, alors ils l'appelaient krystallos ("glace"), nous donnant ainsi le mot cristal. La citrine jaunâtre provient de l'améthyste surchauffée, mais les experts diffèrent sur ce qui donne précisément à l'améthyste sa pop violette caractéristique. Certains disent que c'est de l'oxyde de fer, d'autres privilégient le manganèse ou les hydrocarbures [sources : Banfield ; Encyclopédie Britannica ; Encyclopédie Britannica ].

La famille des minéraux riches en silice, ou silicates, comprend la tourmaline, appréciée à la fois comme pierre précieuse et pour ses propriétés piézoélectriques, et le béryl, une famille de pierres précieuses comprenant l'aigue-marine (bleu-vert pâle), l'émeraude (vert foncé), l'héliodore (jaune doré ) et morganite (rose). Le plus gros cristal jamais trouvé était un béryl de Malakialina, Madagascar. Il mesurait 59 pieds (18 mètres) de long et 11 pieds (3,5 mètres) de large, et pesait 400 tonnes (380 000 kilogrammes) [sources : Banfield ; Encyclopédie Britannica ; Encyclopédie Britannica ].

Les silicates ne sont qu'une des nombreuses familles de cristaux élémentaires. Les oxydes (y compris le corindon susmentionné) contiennent de l'oxygène sous forme d'ion chargé négativement; les phosphates emballent le phosphore ; les borates éclatés avec du bore (B) ; sulfures et sulfates bouillonnent de soufre ; et les halogénures tiennent fermement au chlore et aux autres éléments du groupe VIIA du tableau périodique [source : Banfield ].

La famille des carbonates contient des cristaux riches en carbone et en oxygène. Les bijoutiers le connaissent mieux pour l'aragonite, une variété de carbonate de calcium que les huîtres utilisent pour fabriquer des perles. L'aragonite peut se former à partir de processus géologiques ou biologiques [sources : Banfield ; Encyclopédie Britannica ].

Dernier point mais non le dernier, au plus profond de l'État mexicain de Chihuahua, se trouve une caverne calcaire surnommée la Cueva de los Cristales, ou Grotte des Cristaux, traversée de cristaux doux et transparents de sélénium (un type de gypse transparent) si gros (dans le environ 30 pieds ou 9 mètres), ils éclipsent les spéléologues humains [source : Shea ].

Alors, quel est le plus gros cristal du monde ? Cela pourrait être dans le monde - littéralement. Selon certains scientifiques, le noyau interne de la taille d'une lune de la Terre pourrait être un cristal de fer géant [source : Broad ].

Votre visage est un peu violet

La réputation des cristaux en tant que remèdes populaires remonte bien au-delà du mouvement New Age. L'améthyste, par exemple, tire son surnom des mots grecs signifiant "non ivre". Les anciens Grecs croyaient que les amulettes et les récipients à boire fabriqués à partir de la pierre précieuse les empêcheraient de devenir ivres. Nous frémissons de penser à ce qu'ils ont utilisé comme remède contre la gueule de bois.

Note de l'auteur : Comment sont fabriqués les cristaux ?

Les systèmes auto-organisés, des écologies à (certains disent) l'univers lui-même, sont à leur manière aussi hallucinants que chaotiques. En effet, certains ont appelé l'auto-organisation "anti-chaos" car, alors que le chaos est très sensible aux conditions initiales, les systèmes auto-organisés commencent par une multiplicité de conditions initiales et finissent dans pratiquement le même état final.

L'organisation et la multiplicité sont la raison d'être des cristaux. Ils sont définis par ordre, mais pas par ordre d'un seul type. Des multiplicités -- de morphologies, de réseaux, de polyèdres, parfois même de cristaux -- sont la raison pour laquelle un même amas d'atomes peut nous donner des diamants ou de la mine de crayon. Il y a quelque chose de sublime là-dedans.

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