Como são feitos os cristais?

Do diamante Hope aos pedaços brilhantes do café Folgers, os cristais sempre tiveram o poder de fascinar, inspirando adivinhos e adornando as coroas dos imperadores ao longo da história. Mas os cristais não são apenas um monte de facetas bonitas - eles brilham com propriedades úteis. Eles dão força aos metais trabalhados, acionam nossos relógios e acionam os displays digitais e as lâmpadas fluorescentes da vida moderna.

Ah, e eles temperam nossa comida e resfriam nossas bebidas também.

Sim, sal, açúcar e gelo também são cristais, assim como as gemas, metais, tintas fluorescentes e cristais líquidos que mencionamos. Isso é parte de seu charme; cristais podem ser feitos de praticamente qualquer coisa. Na verdade, a maioria dos minerais ocorre naturalmente em uma forma cristalina [fonte: Smithsonian ].

Uma pista para essa onipresença pode ser encontrada em nossa fala cotidiana. Quando dizemos que os pensamentos de alguém de repente "cristalizam" em torno de uma solução, estamos todos claros sobre o que isso significa: que uma confusão de possibilidades rodopiantes se transformou em algo imóvel e ordenado. Conscientemente ou não, entendemos que a qualidade essencial de um cristal é a ordem – especificamente, um arranjo regular e periódico de átomos [fonte: UCSB ].

Os cristais podem crescer em uma lata de torta de bancada, em um laboratório de alta tecnologia ou em uma fissura nas profundezas da Terra. A receita é enganosamente simples: pegue uma nuvem de gás, uma poça de solução ou um pedaço de rocha derretida, encha-a com o mineral ou composto certo e asse em uma panela de pressão em algum lugar entre a temperatura ambiente e o calor da lava derretida. Mas executar essa receita pode exigir a arte de um chef e o controle meticuloso de um mestre padeiro - ou, no caso de cristais naturais, sorte e muito tempo [fontes: Hunting ; Shea ; Smithsonian ].

Tudo o mais sendo igual, tempos de crescimento mais longos produzem cristais maiores com menos contaminantes [fontes: CU Boulder ; UCSB ]. Não que você sempre queira perder as impurezas: afinal, são intrusos como cromo, ferro e titânio - juntamente com aspectos de arranjo atômico - que dão às gemas suas cores características [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Kay ; Smithsonian ].

Claro, os cristais, como qualquer outra coisa, precisam de espaço para crescer. Prenda-os em quartos apertados e eles ficam pequenos; jam vários minerais cristalinos em um espaço pequeno como passageiros de metrô japoneses, e você acaba com conglomerados de cristal. O granito, a rocha favorita de lápides e balcões em todos os lugares, é um conglomerado de cristais de quartzo, feldspato e mica, que crescem à medida que o magma esfria em fissuras vulcânicas apertadas [fonte: Smithsonian ].

Então aí está: como crescer um cristal.

Agora... o que era um cristal mesmo, exatamente?

Conteúdo

1. O que são cristais?
2. Persuasão Azul Cristal
3. Eu Vou Derreter Com Você
4. Cristais famosos que conheci

Na física, o termo "cristal" descreve uma substância sólida com simetria interna e um padrão de superfície regular relacionado. Essa configuração, chamada estrutura cristalina , ocorre com tanta regularidade que você pode usá-la para prever a organização dos átomos em todo o cristal [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Isaacs et ai. ].

Se esse arranjo continua além de alguns átomos vizinhos, é chamado de ordem de longo alcance , semelhante a uma banda de meio período marchando em formação. Cristais líquidos, como aqueles encontrados em monitores LCD, geralmente se enquadram em ordem de curto alcance (imagine a banda marcial se espalhando em subunidades menores). Cristais sólidos podem assumir qualquer padrão. Veja como: À medida que as substâncias cristalinas derretem, elas se tornam amorfas , o que significa que exibem apenas uma ordem de curto alcance. À medida que esfriam, eles podem retornar a uma formação de longa fúria ou permanecer amorfos, como o vidro à base de silício [fontes: Arfken et al. ; Enciclopédia Britânica ; Isaacs et ai. ].

Elenco no papel de membros de nossa banda são íons (átomos carregados positiva ou negativamente) ligados por ligações iônicas ou covalentes . Essas ligações se agrupam em várias formas compactas e estáveis ​​chamadas poliedros de coordenação [fontes: Banfield ; Holandês ].

Para melhor retratar esses poliedros de coordenação, esqueça a banda marcial e, em vez disso, imagine um mosaico geométrico como os encontrados na Alhambra. Agora visualize esse mosaico em três dimensões para que suas tesselas (telhas) consistam em cubos, pirâmides e sólidos em forma de diamante, cada um dos quais descrevendo o arranjo dos átomos em um determinado tipo de cristal.

Em um cristal de sílica, um pequeno íon central de silício pode ser cercado por quatro íons maiores de oxigênio, formando uma pirâmide triangular ou tetraedro. No óxido de manganês(II), um pequeno íon de manganês central encontra-se dentro de seis íons de oxigênio maiores - um acima, um abaixo e quatro em um quadrado ao redor do meio, formando um diamante tridimensional, ou octaedro [fontes: Banfield ; holandês ; Puro ].

Esses mosaicos 3D podem ser agrupados em vários padrões diferentes, ou treliças , compartilhando ligações atômicas em seus cantos, ao longo de suas bordas ou ao longo de suas faces. Os mesmos elementos podem assumir diferentes arranjos, tanto em termos de suas "formas de azulejo" (poliedros de coordenação) quanto em seus padrões de mosaico (treliças). Essas variações são chamadas de polimorfos e desempenham um papel fundamental na determinação das propriedades de um cristal. Pegue o carbono: arranjado tetraedricamente, ele forma diamantes duros e claros; disposta em um favo de mel em camadas , forma grafite macio e cinza [fontes: Dutch ; Purdue ; UCSB ].

A cristalização nem sempre produz cristais únicos. Às vezes, o processo de auto-ordenação começa em vários locais que crescem juntos, formando uma colcha de retalhos de treliças alinhadas em diferentes direções. Esses policristais , que geralmente se desenvolvem durante o resfriamento rápido, tendem a ser mais fortes que os monocristais [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Enciclopédia Britânica ; Universidade da Virgínia ]. Quando aquecidos, os cristais maiores podem absorver os menores. Portanto, temperatura e pressão, estresse e tensão podem influenciar as características dos cristais, seja em sua transformação - ou em sua criação.

Fazendo disso um hábito

Cristais são poliedros regulares - versões tridimensionais de polígonos regulares (quadrados se tornam cubos, triângulos equiláteros se tornam pirâmides triangulares). No entanto, as condições de crescimento podem fazer com que sua aparência externa, ou hábito cristalino , varie drasticamente, produzindo formas descritas por especialistas com termos como prismático, acicular (em forma de agulha), fibroso, equant (igual em todas as direções), tabular, platy ( em forma de placa), alongado, em forma de bastão, em forma de ripa, em forma de agulha, irregular e assim por diante [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Enciclopédia Britânica ; Isaacs et ai. ].

Se toda essa conversa sobre cristais o deixa ansioso para cultivar alguns, você está com sorte – ou não, dependendo do que você deseja cultivar. Sal ou açúcar ? Certo. Diamantes artificiais? Você logo verá por que até o vilão de Bond, Blofeld, decidiu que era mais simples apenas contrabandeá-los.

Você pode cultivar cristais de três maneiras principais: a partir de um vapor, de uma solução ou de uma fusão. Vamos examinar cada método um por um, começando com a deposição de vapor .

O fato de que os cristais podem crescer a partir de um vapor não deve ser uma surpresa. Afinal, cristais de gelo atmosféricos - nós os chamamos de nuvens e flocos de neve - fazem isso o tempo todo. Eles se acumulam porque a atmosfera fica supersaturada com umidade: ela contém mais água do que pode conter a uma dada temperatura e pressão, então o excesso de água deixa o estado gasoso e se agrega em gelo cristalino [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Librecht ].

Outros tipos de cristal - silício, por exemplo - podem crescer a partir de gases supersaturados com elementos-chave, mas podem precisar de um pequeno impulso quimicamente reativo para fazê-lo [fontes: Encyclopaedia Britannica ; McKenna ].

Na maioria dos casos, o processo começa com um minúsculo cristal de semente ao qual outras moléculas se ligam, camada por camada, à medida que saem da suspensão - da mesma forma que os cristais de iodeto de prata ajudam na " semeadura de nuvens ", fornecendo locais de nucleação para cristais de gelo. . O processo requer muita paciência, mas produz cristais surpreendentemente puros [fontes: Encyclopaedia Britannica ; McKenna ].

O crescimento da solução tem muito em comum com o crescimento do vapor, mas o líquido substitui o gás como meio supersaturado. Cristais de sal e açúcar criados como projetos científicos são bons exemplos de cristais cultivados em solução. A abordagem do soluto supera a deposição de gás em termos de velocidade de crescimento e tamanho do cristal. Aqui está o porquê: em um estado gasoso, a substância vaporizada gira em uma valsa vienense vertiginosa entre outras moléculas de gás, e pode demorar um pouco para os dançarinos individuais deixarem a pista e se juntarem ao grupo cristalino. Uma solução funciona mais como uma dança lenta do ensino médio, completa com flores de parede cristalizantes que ficam perto da superfície, promovendo um crescimento mais rápido. Sua facilidade de uso explica por que a abordagem da solução dominou o crescimento de cristais sintéticos por muitos anos [fontes: Encyclopaedia Britannica; Zaitseva et ai. ].

O terceiro método, crescimento a partir de fusão , requer primeiro o resfriamento de um gás até o estado líquido e, em seguida, o resfriamento do líquido até atingir a solidez cristalina. O método de fusão se destaca na fabricação de policristais, mas também pode crescer cristais únicos usando técnicas como extração de cristais, método de Bridgman e epitaxia. Vamos dar uma olhada em cada um na próxima seção [fonte: Encyclopaedia Britannica ].

Oscilar Descontroladamente

Os cristais possuem uma variedade de qualidades úteis, principalmente em eletrônicos de consumo, onde podem atuar como isolantes ou semicondutores. A propriedade piezoelétrica , na qual um cristal adquire uma carga elétrica quando espremido ou golpeado, torna os cristais úteis em tudo, desde alto-falantes de sala de estar a scanners de ultrassom. Os cristais piezoelétricos também vibram sob uma carga elétrica. Essa propriedade de oscilação consistente permite que relógios de quartzo mantenham o tempo confiável [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Instituto Piezo ; Smithsonian ].

Historicamente, o cultivo de cristais a partir do derretimento era tanto arte quanto ciência. Hoje, envolve qualquer uma das várias técnicas de alta tecnologia que controlam meticulosamente as condições de crescimento, às vezes em escala molecular.

Na extração de cristais , uma máquina abaixa um cristal-semente até que ele apenas beije uma gota de derretimento, então gradualmente move a semente florescente para cima, cronometrando seu movimento para coincidir com a taxa de crescimento do cristal. Alterar a taxa de movimento altera o diâmetro do cristal. Os fabricantes cultivam os cristais de silício de grande diâmetro encontrados em chips de computador dessa maneira - o que parece apropriado, já que os computadores também controlam o processo de extração. Pense nisso como o círculo de silício da vida.

Sob o método Bridgman , os fabricantes pegam um cadinho (um recipiente especializado usado para aquecer substâncias) com uma extremidade inferior cônica, enche-o com material fundido e, em seguida, abaixa-o em uma região mais fria. O crescimento do cristal começa na ponta do cadinho resfriado, então sobe enquanto o cadinho continua para baixo. Graças a essa abordagem de vai e vem, a área de formação do cristal permanece dentro de uma zona de temperatura favorável ao crescimento até que, finalmente, o conteúdo do cadinho forme um único cristal [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Chen et ai. ; Yu e Cardona ].

Epitaxy (do grego epi "sobre" + taxis "arranjo") nos lembra que às vezes a melhor maneira de cultivar um cristal é em cima de outro cristal. No entanto, não é qualquer cristal que serve. Primeiro, a base, ou substrato, deve ser bastante plana, mesmo em escala atômica. Em segundo lugar, como a estrutura do substrato influencia fortemente o arranjo atômico do cristal de crescimento, ele deve corresponder à estrutura de crescimento desejada o mais próximo possível [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Fang et ai. ; Dicionários Oxford ; Yu e Cardona]. Imagine uma prateleira cheia de bolas de bilhar e, em seguida, imagine empilhar mais bolas em cima dela. Você pode mover as novas bolas, mas elas sempre acabam sentadas nas cavidades entre as bolas abaixo.

Epitaxia é um termo amplo que abrange uma série de técnicas [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Yu e Cardona ]:

OK, chega de falar sobre eletrônicos de consumo. Todos nós sabemos que não significa nada se você não tem esse bling .

Fingindo: Rubis e Safiras

Os diamantes industriais estão longe de ser as únicas pedras fugazi do mercado. Os rubis sintéticos existem desde que o cientista francês Marc Gaudin, que ajudou a desenvolver a fotografia em placa seca, descobriu como cultivá-los em 1873. Eles permaneceram bastante fáceis de detectar até por volta de 1950, quando os cientistas iniciaram o tratamento térmico como forma de remover o padrões de crescimento microscopicamente curvos que revelam a pedra como crescida, não semeada [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Kay ].

Relógios de pulso de última geração às vezes cobrem seus rostos com safira sintética resistente a arranhões, mas quebradiça [fonte: BlueDial ].

Crystal Gayle, Crystal Bernard, Crystal the Monkey - não, não queremos dizer nada disso. Quando falamos de cristais famosos, é claro que nos referimos a bling. Gelo. Rochas. estrelinhas de punho.

Jóias.

As pedras preciosas são cristais com um certo extra. Chame isso de pizzazz. Embora tendamos a pensar nelas como rochas individuais, muitas pedras preciosas surgem dos mesmos minerais. As únicas diferenças entre eles são as idiossincrasias estruturais e as impurezas minerais que os imbuem de suas cores de marca registrada.

Rubis e safiras são ambos os tipos de corindo (óxido de alumínio cristalino ou alumina), mas enquanto os vermelhos exuberantes do rubi derivam de pequenas quantidades de cromo que substituem parcialmente o alumínio na estrutura cristalina, os azuis brilhantes da safira vêm de impurezas de ferro e titânio [fontes: Encyclopaedia Britannica ; Kay ].

Ametista e citrino são versões diferentes de quartzo (dióxido de silício cristalino, também conhecido como sílica), que é naturalmente incolor. Os gregos antigos pensavam que o quartzo era gelo que havia congelado com tanta força que não derretia, então o chamavam de krystallos ("gelo"), dando-nos assim a palavra cristal. O citrino amarelado surge da ametista superaquecida, mas os especialistas divergem sobre o que precisamente dá à ametista seu característico pop roxo. Alguns dizem que é óxido de ferro, enquanto outros preferem manganês ou hidrocarbonetos [fontes: Banfield ; Enciclopédia Britânica ; Enciclopédia Britânica ].

A família de minerais ricos em sílica, ou silicatos, inclui a turmalina, valorizada tanto como pedra preciosa quanto por suas propriedades piezoelétricas, e o berilo, uma família de gemas composta por água-marinha (azul esverdeado pálido), esmeralda (verde profundo), heliodor (amarelo dourado ) e morganita (rosa). O maior cristal já encontrado foi um berilo de Malakialina, Madagascar. Ele media 59 pés (18 metros) de comprimento e 11 pés (3,5 metros) de diâmetro, e pesava 400 toneladas (380.000 kg) [fontes: Banfield ; Enciclopédia Britânica ; Enciclopédia Britânica ].

Os silicatos são apenas uma das várias famílias de cristais elementares. Os óxidos (incluindo o corindo acima mencionado) contêm oxigênio como um íon carregado negativamente; fosfatos embalam fósforo; boratos estouram com boro (B); sulfetos e sulfatos fervem com enxofre; e os haletos se apegam ao cloro e outros elementos do grupo VIIA na tabela periódica [fonte: Banfield ].

A família dos carbonatos contém cristais ricos em carbono e oxigênio. Os joalheiros conhecem melhor a aragonita, uma variedade de carbonato de cálcio que as ostras usam para construir pérolas. A aragonita pode se formar a partir de processos geológicos ou biológicos [fontes: Banfield ; Enciclopédia Britânica ].

Por último, mas não por último, nas profundezas do estado mexicano de Chihuahua, há uma caverna de calcário apelidada de Cueva de los Cristales, ou Caverna dos Cristais, repleta de cristais macios e transparentes de selênio (um tipo de gesso transparente) tão grande (no de 30 pés ou 9 metros) eles superam os espeleólogos humanos [fonte: Shea ].

Então, qual é o maior cristal em qualquer lugar do mundo? Pode estar no mundo - literalmente. De acordo com alguns cientistas, o núcleo interno do tamanho da lua da Terra pode ser um cristal de ferro gigante [fonte: Broad ].

Você está parecendo um pouco roxo na cara

A reputação dos cristais como remédios populares remonta muito mais longe do que o movimento da Nova Era. Ametista, por exemplo, recebe seu apelido das palavras gregas que significam "não intoxicado". Os antigos gregos acreditavam que amuletos e recipientes feitos de pedras preciosas os protegeriam de ficarem embriagados. Nós estremecemos ao pensar no que eles usaram como remédio para ressaca.

Nota do autor: Como os cristais são feitos?

Os sistemas auto-organizados, desde as ecologias até (alguns dizem) o próprio universo, são à sua maneira tão alucinantes quanto os caóticos. De fato, alguns chamam a auto-organização de "anti-caos" porque, enquanto o caos é altamente sensível às condições iniciais, os sistemas auto-organizados começam com uma multiplicidade de condições iniciais e terminam virtualmente no mesmo estado final.

Organização e multiplicidade são o que os cristais são. Eles são definidos por ordem, mas não por ordem de um único tipo. Multiplicidades - de morfologias, de reticulados, de poliedros, às vezes até de cristais - são o motivo pelo qual a mesma pilha de átomos pode nos dar diamantes ou grafite. Há algo sublime nisso.

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