Come sono fatti i cristalli?

Dal diamante Hope ai pezzi lucenti del caffè Folgers, i cristalli hanno sempre avuto il potere di affascinare, ispirare indovini e adornare 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, fanno funzionare i nostri segnatempo e guidano i display digitali e le lampadine fluorescenti della vita moderna.

Oh, e condiscono il nostro cibo e raffreddano anche le nostre bevande.

Sì, anche sale, zucchero e ghiaccio sono cristalli, proprio come le gemme, i metalli, le vernici fluorescenti e i cristalli liquidi di cui abbiamo parlato. Questo fa parte del loro fascino; i cristalli possono essere fatti praticamente da qualsiasi cosa. In effetti, la maggior parte dei minerali si trova naturalmente in una forma cristallina [fonte: Smithsonian ].

Un indizio di questa ubiquità può essere trovato nel nostro discorso quotidiano. Quando diciamo che i pensieri di qualcuno improvvisamente "cristallizzano" attorno a una soluzione, siamo tutti chiari su cosa significa: che un guazzabuglio di possibilità vorticose si è risolto in qualcosa di immobile e ordinato. Consapevolmente o meno, comprendiamo che la qualità essenziale di un cristallo è l'ordine, in particolare una disposizione regolare e periodica degli atomi [fonte: UCSB ].

I cristalli possono crescere in una tortiera da banco, in un laboratorio high-tech o in una fessura nel profondo della Terra. La ricetta è ingannevolmente semplice: prendi una nuvola di gas, una pozza di soluzione o un grumo di roccia fusa, riempila con il minerale o il composto giusto, quindi cuoci 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 di uno chef e il meticoloso controllo di un maestro fornaio - o, nel caso dei cristalli naturali, una fortuna stupida e un sacco di tempo [fonti: Hunting ; karitè ; Smithsoniano ].

A parità di condizioni, 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, il ferro e il titanio - insieme ad aspetti della disposizione atomica - che conferiscono alle gemme i loro colori caratteristici [fonti: Encyclopaedia Britannica ; Kay ; Smithsoniano ].

Naturalmente, i cristalli, come qualsiasi altra cosa, hanno bisogno di spazio per crescere. Intrappolali in spazi angusti e rimangono piccoli; incastrare diversi minerali cristallini in un piccolo spazio come i pendolari della metropolitana giapponesi e finisci con i conglomerati di cristallo. Il granito, la roccia preferita di lapidi e controsoffitti ovunque, è un conglomerato di cristalli di quarzo, feldspato e mica, che crescono quando il magma si raffredda in anguste fessure vulcaniche [fonte: Smithsonian ].

Quindi ecco qua: come far crescere un cristallo.

Ora... cos'era di nuovo un cristallo, esattamente?

Contenuti

1. Cosa sono i cristalli?
2. Persuasione blu cristallo
3. Mi scioglierò con te
4. Cristalli famosi che ho conosciuto

In fisica, il termine "cristallo" descrive una sostanza solida con simmetria interna e un relativo modello di superficie regolare. Questa configurazione, chiamata struttura cristallina , ricorre così regolarmente che è possibile utilizzarla per prevedere l'organizzazione degli atomi in tutto il cristallo [fonti: Encyclopaedia Britannica ; Isacco et al. ].

Se questa disposizione prosegue oltre alcuni atomi vicini, viene chiamata ordine a lungo raggio , simile a una banda a tempo parziale che marcia in formazione. I cristalli liquidi, come quelli che si trovano nei monitor LCD, di solito cadono in un ordine a corto raggio (immagina la perforazione della dispersione della banda in subunità più piccole). I cristalli solidi possono assumere entrambi i modelli. Ecco come: quando le sostanze cristalline si sciolgono, diventano amorfe , il che significa che mostrano solo un ordine a corto raggio. Mentre si raffreddano, possono ricadere in una formazione a lungo termine o rimanere amorfi, come il vetro a base di silicio [fonti: Arfken et al. ; Enciclopedia Britannica ; Isacco et al. ].

Cast nel ruolo dei membri della nostra band sono ioni (atomi caricati positivamente o negativamente) legati da legami ionici o covalenti . Questi legami si raggruppano in varie forme compatte e stabili chiamate poliedri di coordinazione [fonti: Banfield ; olandese ].

Per raffigurare meglio questi poliedri di coordinazione, dimentica la banda musicale e immagina invece un mosaico geometrico come quelli che si trovano 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 ; Purdue ].

Queste tessere di mosaico 3-D possono essere raggruppate in diversi modelli o reticoli , condividendo legami atomici agli angoli, lungo i bordi o lungo le facce. Gli stessi elementi possono assumere diverse disposizioni, sia in termini di "forma delle tessere" (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, forma diamanti notoriamente duri e chiari; disposto in un nido d'ape a strati , forma una morbida grafite grigia [fonti: olandese ; Purdue ; UCSB ].

La cristallizzazione non sempre produce cristalli singoli. A volte, il processo di auto-ordinazione inizia in un numero di siti che crescono insieme, formando un mosaico di reticoli allineati lungo direzioni diverse. Questi 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 ]. Se riscaldati, i cristalli più grandi possono assorbire quelli più piccoli. Quindi temperatura e pressione, stress e deformazione possono influenzare le caratteristiche dei cristalli, sia nella loro trasformazione, sia nella loro creazione.

Prendere l'abitudine

Crystals are regular polyhedra -- three-dimensional versions of regular polygons (squares become cubes, equilateral triangles become triangular pyramids). Nevertheless, growth conditions can cause their external appearance, or crystal habit, to vary dramatically, producing shapes described by experts with such terms as prismatic, acicular (needle-shaped), fibrous, equant (equal in all directions), tabular, platy (plate-like), elongate, rodlike, lathlike, needlelike, irregular and so on [sources: Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; Isaacs et al. ].

If all this talk of crystals has you itching to grow some yourself, you're in luck -- or not, depending on what you want to grow. Salt or sugar ? Sure. Artificial diamonds? You'll soon see why even Bond villain Blofeld decided it was simpler just to smuggle them.

You can grow crystals in one of three major ways: from a vapor, from a solution or from melt. Let's look at each method one by one, beginning with vapor deposition.

The fact that crystals can grow from a vapor should come as no surprise. After all, atmospheric ice crystals -- we call them clouds and snowflakes -- do it all the time. They accumulate because the atmosphere becomes supersaturated with moisture: It contains more water than it can hold at a given temperature and pressure, so excess water leaves the gaseous state and aggregates into crystalline ice [sources: Encyclopaedia Britannica; Libbrecht].

Other crystal types -- silicon, for example -- can grow from gases supersaturated with key elements, but might need a little chemically reactive boost to do so [sources: Encyclopaedia Britannica; McKenna].

In most cases, the process begins with a tiny seed crystal to which other molecules attach, layer by layer, as they come out of suspension -- much in the way silver iodide crystals aid in "cloud seeding " by providing nucleation sites for ice crystals. The process requires great patience, but it produces surprisingly pure crystals [sources: Encyclopaedia Britannica; McKenna].

Growth from solution shares much in common with vapor growth, but liquid replaces gas as the supersaturated medium. Salt and sugar crystals created as science projects are good examples of solution-grown crystals. The solute approach outperforms gas deposition in terms of both growth speed and crystal size. Here's why: In a gaseous state, the vaporized substance whirls in a dizzy Viennese waltz among other gas molecules, and it can take a while for individual dancers to leave the floor and join the crystalline clique. A solution acts more like a high school slow dance, complete with crystalizing wallflowers that hang out near the surface, promoting faster growth. Its user-friendliness explains why the solution approach dominated synthetic crystal growth for many years [sources: Encyclopaedia Britannica; Zaitseva et al.].

The third method, growth from melt, requires first cooling a gas to a liquid state and then chilling the liquid until it attains crystalline solidity. The melt method excels at making polycrystals but can also grow single crystals using techniques such as crystal pulling, the Bridgman method and epitaxy. Let's take a closer look at each in the next section [source: Encyclopaedia Britannica].

Oscillate Wildly

Crystals boast a range of handy qualities, particularly in consumer electronics, where they can act as insulators or semiconductors. The piezoelectric property, in which a crystal acquires an electric charge when squeezed or smacked, makes crystals useful in everything from living room speakers to ultrasound scanners. Piezoelectric crystals also vibrate under an electric charge. This property of consistent oscillation enables quartz clocks and watches to keep reliable time [sources: Encyclopaedia Britannica; Piezo Institute; Smithsonian].

Historically, growing crystals from melt was as much art as science. Today, it entails any one of a number of high-tech techniques that meticulously control growth conditions, sometimes at the molecular scale.

In crystal pulling, a machine lowers a seed crystal until it just kisses a glob of melt, then gradually moves the burgeoning seed upward, timing its motion to coincide with the crystal's growth rate. Changing the movement rate alters the crystal's diameter. Manufacturers grow the large-diameter silicon crystals found in computer chips this way -- which seems appropriate, since computers also control the pulling process. Think of it as the silicon circle of life.

Under the Bridgman method, manufacturers take a crucible (a specialized container used to heat substances) with a conical lower end, fill it with molten material, then lower it into a cooler region. Crystal growth kicks off at the cooled crucible tip, then works its way up as the crucible continues downward. Thanks to this coming-and-going approach, the crystal formation area remains within a growth-friendly temperature zone until, finally, the crucible's contents form a single crystal [sources: Encyclopaedia Britannica; Chen et al.; Yu and Cardona ].

Epitaxy (from Greek epi "upon" + taxis "arrangement") reminds us that sometimes the best way to grow a crystal is on top of another crystal. Not just any crystal will do, however. First, the base, or substrate, must be quite flat, even at the atomic scale. Second, because the substrate's structure strongly influences the atomic arrangement of the growth crystal, it should match the desired growth lattice as closely as possible [sources: Encyclopaedia Britannica; Fang et al. ; Oxford Dictionaries; Yu and Cardona ]. Picture a full rack of billiard balls and then imagine stacking more balls on top it. You can move the new balls around, but they always end up seated in the hollows between the balls beneath.

Epitaxy is a broad term encompassing a range of techniques [sources: Encyclopaedia Britannica; Yu and 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

La reputazione dei cristalli come rimedi popolari risale a molto più lontano del movimento New Age. L'ametista, ad esempio, prende il soprannome dalle parole greche che significano "non intossicato". Gli antichi greci credevano che amuleti e vasi per bere fatti con la pietra preziosa li avrebbero protetti dal brillo. Rabbrividiamo al pensiero di cosa hanno usato come rimedio per i postumi di una sbornia.

Nota dell'autore: come sono fatti i cristalli?

I sistemi auto-organizzanti, dalle ecologie (alcuni dicono) all'universo stesso, sono a loro modo sbalorditivi quanto quelli caotici. In effetti, alcuni hanno chiamato l'auto-organizzazione "anti-caos" perché, mentre il caos è altamente sensibile alle condizioni iniziali, i sistemi di auto-organizzazione iniziano con una molteplicità di condizioni iniziali e finiscono praticamente nello stesso stato finale.

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.

Related Articles