Cristales de cuarzo gigantes de México se iluminan para sus admiradores en el Museo Crystal Caves en Atherton, Australia. © Stuart Westmorland / Science Faction / Corbis Desde el diamante Hope hasta los trocitos brillantes del café Folgers, Los cristales siempre han tenido el poder de fascinar, inspirando a los adivinos y adornando las coronas de los emperadores a lo largo de la historia. Pero los cristales no son solo un montón de bonitas facetas, sino que brillan con propiedades útiles. Dan fuerza a los metales trabajados, ejecute nuestros relojes y conduzca las pantallas digitales y las bombillas fluorescentes de la vida moderna.
Oh, y sazonan nuestra comida y también enfrían nuestras bebidas.
Sí, sal, el azúcar y el hielo son cristales, también, al igual que las gemas, rieles, pinturas fluorescentes y 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 discurso cotidiano. 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 giratorias se resolvió en algo tranquilo y ordenado. Conscientemente o no entendemos que la cualidad esencial de un cristal es el orden, específicamente, un habitual, disposición periódica de átomos [fuente:UCSB].
Los cristales pueden crecer en una lata de pastel de encimera, un laboratorio de alta tecnología o una fisura profunda en la Tierra. La receta es engañosamente simple:tome una nube de gas, un charco de solución o un trozo de roca derretida, rellenarlo con el mineral o compuesto adecuado, luego hornee en una olla a presión a algún lugar 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 muchísimo tiempo [fuentes:caza; Ella a; 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 intrusos como el cromo, hierro y titanio - junto con aspectos de la disposición atómica - que dan a las gemas sus colores característicos [fuentes:Encyclopaedia Britannica; Kay; Smithsonian].
Por supuesto, cristales como cualquier otra cosa, necesita espacio para crecer. Atrapéelos en cuartos estrechos y se mantendrán pequeños; atascar varios minerales cristalinos en un espacio pequeño como los viajeros japoneses del metro, y terminas con conglomerados de cristal. Granito, la roca favorita de lápidas y encimeras en todas partes, es un conglomerado de cuarzo, cristales de feldespato y mica, que crecen a medida que el magma se enfría en estrechas fisuras volcánicas [fuente:Smithsonian].
Ahí lo tienes:cómo hacer crecer un cristal.
Ahora ... lo que era un cristal de nuevo, ¿exactamente?
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La industria tiene todo tipo de usos para estos incipientes cristales de sal de cobre apodados vitriolo azul. Dorling Kindersley / Getty Images En física, el término "cristal" describe una sustancia sólida con simetría interna y un relacionado, patrón de superficie regular. Esta configuración, llamó al estructura cristalina , se repite con tanta frecuencia que se puede utilizar para predecir la organización de los átomos en todo el cristal [fuentes:Encyclopaedia Britannica; Isaacs y col.].
Si esta disposición continúa más allá de unos pocos átomos vecinos, se llama orden de largo alcance , similar a una banda de medio tiempo marchando en formación. Cristales líquidos, como los que se encuentran en los monitores LCD, generalmente caen en orden de corto alcance (imagínese la dispersión de la banda de marcha perforando en subunidades más pequeñas). Los cristales sólidos pueden asumir cualquier patrón. He aquí cómo:a medida que se derriten las sustancias cristalinas, se convierten amorfo , lo que significa que solo muestran un orden de corto alcance. Mientras se enfrían pueden volver a caer en una formación de rabia prolongada o permanecer amorfos, como el vidrio a base de silicio [fuentes:Arfken et al .; Enciclopedia Británica; Isaacs y col.].
En el papel de los miembros de nuestra banda están los iones (átomos cargados positiva o negativamente) unidos por enlaces iónicos o covalentes. Estos enlaces se empaquetan en varios compactos, formas estables llamadas poliedros de coordinación [fuentes:Banfield; Holandés].
Para visualizar mejor estos poliedros de coordinación, olvídate de la banda de música y en su lugar imagina un mosaico geométrico como los que se encuentran en la Alhambra. Ahora visualice ese mosaico en tres dimensiones para que sus teselas (mosaicos) 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 ión central de silicio podría estar rodeado por cuatro iones más grandes de oxígeno, formando una pirámide triangular, o tetraedro. En óxido de manganeso (II), un pequeño ion de manganeso central se encuentra dentro de seis iones de oxígeno más grandes, uno arriba, uno debajo y cuatro en un cuadrado alrededor del medio, formando un diamante tridimensional, u octaedro [fuentes:Banfield; Holandés; Purdue].
Estos mosaicos tridimensionales se pueden empaquetar 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 disposiciones, tanto en términos de sus "formas de mosaico" (poliedros de coordinación) como de sus patrones de mosaico (celosías). Estas variaciones se llaman polimorfos , y juegan un papel clave en la determinación de las propiedades de un cristal. Tome carbono:arreglado tetraédricamente, se forma famoso por su dureza, diamantes claros; dispuestas en un panal en capas, se forma suave, grafito gris [fuentes:holandés; Purdue; UCSB].
La cristalización no siempre produce cristales únicos. Algunas veces, el proceso de autoorden comienza en varios sitios que crecen juntos, formando un mosaico de celosías alineadas en diferentes direcciones. Estas policristales , que a menudo se desarrollan durante el enfriamiento rápido, tienden a ser más fuertes que los monocristales [fuentes:Encyclopaedia Britannica; Enciclopedia Británica; Universidad de Virginia]. Cuando se calienta, 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.
Haciendo de ello un hábitoLos 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 su apariencia externa, o hábito de cristal , para variar dramáticamente, producir formas descritas por expertos con términos como prismático, acicular (en forma de aguja), fibroso, equant (igual en todas las direcciones), tabular, platy (en forma de plato), alargado, como una varilla en forma de listón como una aguja irregular y así sucesivamente [fuentes:Encyclopaedia Britannica; Enciclopedia Británica; Isaacs y col.].
¿Quizás el único tipo de cristal que ha intentado engancharse en la lengua? iStockphoto / Thinkstock Si toda esta charla de cristales te hace querer cultivar algunos tú mismo, estás de suerte - o no, dependiendo de lo que quieras cultivar. ¿Sal o azúcar? Seguro. ¿Diamantes artificiales? Pronto verá por qué incluso el villano de Bond, Blofeld, decidió que era más sencillo simplemente pasarlos de contrabando.
Puede cultivar cristales de una de estas tres formas principales:a partir de un vapor, de una solución o de una masa fundida. Veamos cada método uno por uno, empezando con 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 vuelve sobresaturado con humedad:contiene más agua de la que puede contener a una temperatura y presión determinadas, por lo que el exceso de agua deja el estado gaseoso y se agrega en hielo cristalino [fuentes:Encyclopaedia Britannica; Libbrecht].
Otros tipos de cristales:silicio, por ejemplo, puede crecer a partir de gases sobresaturados con elementos clave, pero podría necesitar un pequeño impulso químicamente reactivo para hacerlo [fuentes:Encyclopaedia Britannica; McKenna].
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 la misma manera que 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; McKenna].
Crecimiento de la solución comparte mucho en común con el crecimiento de 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 puede tomar un tiempo para que los bailarines abandonen la pista y se unan 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, promover un crecimiento más rápido. Su facilidad de uso explica por qué el enfoque de la solución dominó el crecimiento de cristales sintéticos durante muchos años [fuentes:Encyclopaedia Britannica; Zaitseva y col.].
El tercer método, crecimiento 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 extracción de cristales, el método de Bridgman y la epitaxia. Echemos un vistazo más de cerca a cada uno en la siguiente sección [fuente:Encyclopaedia Britannica].
Oscilar salvajementeLos cristales cuentan con una variedad de cualidades prácticas, particularmente en electrónica de consumo, donde pueden actuar como aislantes o semiconductores. los propiedad piezoeléctrica , en el 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 carga eléctrica. Esta propiedad de oscilación constante permite que los relojes de cuarzo y los relojes mantengan una hora confiable [fuentes:Encyclopaedia Britannica; Piezo Institute; Smithsonian].
Alrededor de 1975:El técnico de laboratorio senior Charles Young observa cómo crecen los cristales de zafiro en un cultivador de cristales en la planta de Corning Glass Canada Road. Los cristales se utilizaron en lámparas de vapor de sodio. © Nathan Benn / CORBIS Históricamente, el cultivo de cristales fundidos era tanto un arte como una ciencia. Hoy dia, implica cualquiera de una serie de técnicas de alta tecnología que controlan meticulosamente las condiciones de crecimiento, a veces a escala molecular.
En tirando de cristal , una máquina baja una semilla de cristal hasta que solo besa una bola de masa fundida, luego mueve gradualmente la semilla floreciente hacia arriba, sincronizar su movimiento para que coincida con la tasa de crecimiento del cristal. Cambiar la velocidad de movimiento altera el diámetro del cristal. Los fabricantes cultivan 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.
Bajo la Método Bridgman , los fabricantes toman un crisol (un recipiente especializado que se utiliza para calentar sustancias) con un extremo inferior cónico, llénelo de material fundido, luego bájelo a una región más fría. El crecimiento de cristales comienza en la punta del crisol enfriado, luego se abre camino hacia arriba mientras 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].
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. No sirve cualquier cristal, sin embargo. Primero, la base, o sustrato, debe ser bastante plano, incluso a escala atómica. Segundo, 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; Fang et al .; Diccionarios de Oxford; Yu y Cardona]. Imagínese un estante lleno de bolas de billar y luego imagínese apilando más bolas encima. Puedes mover las bolas nuevas pero siempre terminan sentados 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]:
OK, ya es suficiente hablar sobre electrónica de consumo. Todos sabemos que no significa nada si no tienes ese brillo.
Fingiendo:rubíes y zafirosLos diamantes industriales están lejos de ser las únicas piedras fugazi en el mercado. Los rubíes sintéticos han existido desde el científico francés Marc Gaudin, que 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 los patrones de crecimiento microscópicamente curvados que revelan que la piedra ha crecido, no sembrado [fuentes:Encyclopaedia Britannica; Kay].
Los relojes de pulsera de alta gama a veces se cubren la cara con pero quebradizo, zafiro sintético [fuente:BlueDial].
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Crystal Gayle, Crystal Bernard, Crystal the Monkey - no, no nos referimos a ninguno de esos. Cuando hablamos de cristales famosos somos, por supuesto, refiriéndose a bling. Hielo. Rocas. Bengalas de puño.
Joyas.
Las piedras preciosas son cristales con algo extra. Llámalo dinamismo. Aunque tendemos a pensar en ellos como rocas individuales, muchas piedras preciosas surgen de los mismos minerales. Las únicas diferencias entre ellos son las idiosincrasias estructurales y las impurezas minerales que los imbuyen con sus colores característicos.
Los rubíes y los zafiros son ambos 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 cristalina, Los azules brillantes del zafiro provienen de impurezas de hierro y titanio [fuentes:Encyclopaedia Britannica; Kay].
La amatista y el citrino son versiones diferentes de cuarzo (dióxido de silicio cristalino también conocido como sílice), que es naturalmente incoloro. Los antiguos griegos pensaban que el cuarzo era hielo que se había congelado con tanta fuerza que no se derretía. así que lo llamaron krystallos ("hielo"), dándonos así la palabra cristal. El citrino amarillento surge de la amatista sobrecalentada, pero los expertos difieren sobre qué es lo que le da a la amatista su característico pop violeta. Algunos dicen que es óxido de hierro mientras que otros favorecen el manganeso o los hidrocarburos [fuentes:Banfield; Enciclopedia Británica; Enciclopedia Británica].
La familia de minerales ricos en sílice, o silicatos, incluye turmalina, valorada tanto como piedra preciosa como por sus propiedades piezoeléctricas, y berilo, una familia de gemas que comprende aguamarina (azul pálido-verde), esmeralda (verde oscuro), heliodor (amarillo dorado) y morganita (rosa). El cristal más grande jamás encontrado fue un berilo de Malakialina, Madagascar. Medía 59 pies (18 metros) de largo y 11 pies (3,5 metros) de ancho, y pesaba 400 toneladas (380, 000 kilogramos) [fuentes:Banfield; Enciclopedia Británica; Enciclopedia Británica].
Los silicatos son solo una de varias familias de cristales elementales. Los óxidos (incluido el corindón antes mencionado) contienen oxígeno como ión cargado negativamente; los fosfatos contienen fósforo; los boratos estallan con boro (B); los sulfuros y sulfatos hierven con azufre; y los haluros se adhieren al cloro y otros elementos del grupo VIIA en la tabla periódica [fuente:Banfield].
La familia de los carbonatos contiene cristales ricos en carbono y oxígeno. Los joyeros lo conocen mejor por el aragonito, una variedad de carbonato de calcio que las ostras usan para construir perlas. La aragonita puede formarse a partir de procesos geológicos o biológicos [fuentes:Banfield; Enciclopedia Británica].
Por último, pero no por último, En lo profundo del estado mexicano de Chihuahua se encuentra una caverna de piedra caliza llamada Cueva de los Cristales, o Cueva de Cristales, atravesado con suave, cristales transparentes de selenio (un tipo de yeso transparente) tan grandes (en el estadio de béisbol de 30 pies o 9 metros) que empequeñecen a los espeleólogos humanos [fuente:Shea].
Entonces, ¿cuál es el cristal más grande del mundo? Podría estar en el mundo, literalmente. Según algunos científicos, El núcleo interno del tamaño de una luna de la Tierra podría ser un cristal de hierro gigante [fuente:Broad].
Te ves un poco morado en la caraLa reputación de los cristales como remedios populares se remonta a mucho más atrás que el movimiento New Age. Amatista, por ejemplo, obtiene su apodo de las palabras griegas que significan "no intoxicado". Los antiguos griegos creían que los amuletos y los recipientes para beber hechos con la piedra preciosa los protegerían de la borrachera. Nos estremecemos al pensar en lo que usaron como remedio para la resaca.
Sistemas autoorganizados, desde las ecologías hasta (algunos dicen) el universo mismo, son a su manera tan alucinantes como caóticos. En efecto, algunos han llamado a la autoorganización "anti-caos" porque, mientras que el caos es muy sensible a las condiciones iniciales, Los sistemas autoorganizados 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. Están definidos por orden, pero no un orden de un solo tipo. Multiplicidades - de morfologías, de celosías, de poliedros, a veces incluso de cristales, es por eso que la misma pila de átomos puede darnos diamantes o mina de lápiz. Hay algo sublime en eso.
