Cristais gigantes de quartzo do México são iluminados para seus admiradores no Crystal Caves Museum em Atherton, Austrália. © Stuart Westmorland / Science Faction / Corbis 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 emprestam força aos metais trabalhados, execute nossos relógios e mova os displays digitais e lâmpadas fluorescentes da vida moderna.
Oh, e eles temperam nossa comida e esfriam nossas bebidas também.
Sim, sal, açúcar e gelo são cristais, também, assim como as gemas, metais, tintas fluorescentes e cristais líquidos que mencionamos. Isso é parte de seu charme; os 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 muito claros sobre o que isso significa:que uma confusão de possibilidades giratórias se transformou em algo quieto e ordenado. Conscientemente ou não, entendemos que a qualidade essencial de um cristal é a ordem - especificamente, Um regular, arranjo periódico de átomos [fonte:UCSB].
Cristais podem crescer em uma lata de torta de balcão, um laboratório de alta tecnologia ou uma fissura nas profundezas da Terra. A receita é aparentemente simples:pegue uma nuvem de gás, uma poça de solução ou uma massa de rocha derretida, recheie-o com o mineral ou composto certo, em seguida, leve ao forno 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, muita sorte e muito tempo [fontes:Hunting; Shea; Smithsonian].
Todo o resto 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 o cromo, ferro e titânio - junto com aspectos do arranjo atômico - que dão às joias suas cores características [fontes:Encyclopaedia Britannica; Kay; Smithsonian].
Claro, cristais, como qualquer outra coisa, precisa de espaço para crescer. Prenda-os em quartos apertados e eles ficarão pequenos; atolam vários minerais cristalinos em um pequeno espaço, como os passageiros japoneses do metrô, e você acaba com conglomerados de cristal. Granito, a rocha favorita de lápides e bancadas em todos os lugares, é um conglomerado de quartzo, feldspato e cristais de mica, que crescem conforme o magma esfria em fissuras vulcânicas estreitas [fonte:Smithsonian].
Então aí está:como fazer crescer um cristal.
Agora ... o que era um cristal de novo, exatamente?
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A indústria tem todos os tipos de usos para esses cristais de sal de cobre, apelidados de vitríolo azul. Dorling Kindersley / Getty Images Na física, o termo "cristal" descreve uma substância sólida com simetria interna e relacionada, padrão de superfície regular. Esta configuração, Chamou o estrutura de cristal , se repete tão regularmente que você pode usá-lo para prever a organização dos átomos em todo o cristal [fontes:Encyclopaedia Britannica; Isaacs et al.].
Se este arranjo continuar além de alguns átomos vizinhos, é chamado pedido de longo alcance , semelhante a uma banda de meio tempo marchando em formação. Cristais líquidos, como os encontrados em monitores LCD, geralmente caem em ordem de curto alcance (imagine a dispersão-perfuração da banda em subunidades menores). Os cristais sólidos podem assumir qualquer um dos padrões. Veja como:à medida que as substâncias cristalinas derretem, eles se tornam amorfo , o que significa que eles exibem apenas pedidos de curto alcance. Como eles esfriam, eles podem cair em uma formação de longa duração ou permanecer amorfos, como vidro à base de silício [fontes:Arfken et al .; Encyclopaedia Britannica; Isaacs et al.].
No papel dos membros da nossa banda, estão os íons (átomos carregados positivamente ou negativamente) ligados por ligações iônicas ou covalentes. Essas ligações se agrupam em vários compactos, formas 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 de modo que suas tesselas (ladrilhos) consistam em cubos, pirâmides e sólidos em forma de diamante, cada um dos quais descreve o arranjo dos átomos em um determinado tipo de cristal.
Em um cristal de sílica, um pequeno íon central de silício pode ser rodeado por quatro íons maiores de oxigênio, formando uma pirâmide triangular, ou tetraedro. Em 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 no meio, formando um diamante tridimensional, ou octaedro [fontes:Banfield; Holandês; Purdue].
Esses ladrilhos de mosaico 3-D podem ser agrupados em vários padrões diferentes, ou treliças , compartilhando ligações atômicas em seus cantos, ao longo de suas bordas ou ao longo de seus rostos. Os mesmos elementos podem assumir arranjos diferentes, tanto em termos de suas "formas de ladrilhos" (poliedros de coordenação) quanto em seus padrões de mosaico (treliças). Essas variações são chamadas polimorfos , e eles desempenham um papel fundamental na determinação das propriedades de um cristal. Pegue o carbono:arranjado tetraedricamente, é uma forma notoriamente difícil, diamantes transparentes; dispostos em um favo de mel em camadas, é macio, grafite cinza [fontes:holandês; Purdue; UCSB].
A cristalização nem sempre produz cristais únicos. As vezes, o processo de auto-ordenação começa em vários sites que crescem juntos, formando uma colcha de retalhos de treliças alinhadas ao longo de diferentes direções. Esses policristais , que muitas vezes se desenvolvem durante o resfriamento rápido, tendem a ser mais fortes do que cristais únicos [fontes:Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; Universidade da Virgínia]. Quando aquecido, cristais maiores podem absorver os menores. Então, temperatura e pressão, estresse e tensão podem influenciar as características dos cristais, seja em sua transformação - ou sua criação.
Fazendo disso um hábitoOs cristais são poliedros regulares - versões tridimensionais de polígonos regulares (os quadrados tornam-se cubos, triângulos equiláteros tornam-se pirâmides triangulares). No entanto, as condições de crescimento podem causar sua aparência externa, ou hábito de cristal , para variar dramaticamente, produzindo formas descritas por especialistas com termos como prismático, acicular (em forma de agulha), fibroso, equante (igual em todas as direções), tabular, platy (tipo placa), alongado, como uma vara, como ripa, como uma agulha, irregular e assim por diante [fontes:Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; Isaacs et al.].
Talvez o único tipo de cristal que você tentou pegar com a língua? iStockphoto / Thinkstock Se toda essa conversa de cristais está ansiosa para cultivar alguns, você está com sorte - ou não, dependendo do que você deseja crescer. Sal ou açúcar? Certo. Diamantes artificiais? Você logo verá porque até o vilão Blofeld de Bond decidiu que era mais simples contrabandear eles.
Você pode cultivar cristais de uma das três maneiras principais:a partir de um vapor, de uma solução ou de fusão. Vejamos cada método um por um, começando com deposição de vapor .
O fato de que os cristais podem crescer a partir de um vapor não deve ser nenhuma 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 se torna supersaturado com umidade:contém mais água do que pode reter a uma determinada temperatura e pressão, assim, o excesso de água deixa o estado gasoso e se agrega em gelo cristalino [fontes:Encyclopaedia Britannica; Libbrecht].
Outros tipos de cristal - silício, por exemplo - pode crescer a partir de gases supersaturados com elementos-chave, mas pode ser necessário 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 os cristais de gelo. O processo requer muita paciência, mas produz cristais surpreendentemente puros [fontes:Encyclopaedia Britannica; McKenna].
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 crescidos em solução. A abordagem do soluto supera a deposição de gás em termos de velocidade de crescimento e tamanho do cristal. Eis o porquê:em estado gasoso, a substância vaporizada gira em uma valsa vienense estonteante entre outras moléculas de gás, e pode demorar um pouco para que os dançarinos deixem a pista e se juntem à camarilha cristalina. Uma solução funciona mais como uma dança lenta do ensino médio, completo com wallflowers 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 do cristal sintético por muitos anos [fontes:Encyclopaedia Britannica; Zaitseva et al.].
O terceiro método, crescimento do derretimento , requer primeiro resfriar um gás ao estado líquido e, em seguida, resfriar o líquido até que ele atinja a solidez cristalina. O método de fusão é excelente na produção de policristais, mas também pode fazer crescer cristais únicos usando técnicas como puxar o cristal, o método Bridgman e epitaxia. Vamos dar uma olhada em cada um na próxima seção [fonte:Encyclopaedia Britannica].
Oscilar DesordenadamenteOs cristais possuem uma gama de qualidades úteis, particularmente em eletrônicos de consumo, onde podem atuar como isolantes ou semicondutores. o propriedade piezoelétrica , em que um cristal adquire uma carga elétrica quando espremido ou batido, torna os cristais úteis em tudo, desde alto-falantes de sala de estar até scanners de ultrassom. Cristais piezoelétricos também vibram sob uma carga elétrica. Essa propriedade de oscilação consistente permite que os relógios de quartzo mantenham a hora confiável [fontes:Encyclopaedia Britannica; Instituto Piezo; Smithsonian].
Por volta de 1975:O técnico de laboratório sênior Charles Young observa o crescimento de cristais de safira em um produtor de cristal na fábrica da Corning Glass Canada Road. Os cristais foram usados em lâmpadas de vapor de sódio. © Nathan Benn / CORBIS Historicamente, cultivar cristais de fusão era tanto arte quanto ciência. Hoje, envolve qualquer uma de uma série de técnicas de alta tecnologia que controlam meticulosamente as condições de crescimento, às vezes em escala molecular.
No puxando cristal , uma máquina abaixa um cristal de semente até que ele apenas beija uma bola de derretimento, em seguida, move gradualmente a semente florescente para cima, cronometrando seu movimento para coincidir com a taxa de crescimento do cristal. Mudar a taxa de movimento altera o diâmetro do cristal. Os fabricantes cultivam os cristais de silício de grande diâmetro encontrados em chips de computador desta forma - o que parece apropriado, uma vez que os computadores também controlam o processo de extração. Pense nisso como o círculo vital de silício.
Debaixo de Método Bridgman , os fabricantes pegam um cadinho (um recipiente especializado usado para aquecer substâncias) com uma extremidade inferior cônica, encha-o com material fundido, em seguida, abaixe-o em uma região mais fria. O crescimento do cristal começa na ponta do cadinho resfriado, então sobe conforme o cadinho continua descendo. Graças a essa abordagem de vaivém, a área de formação de cristal permanece dentro de uma zona de temperatura favorável ao crescimento até, finalmente, o conteúdo do cadinho forma um único cristal [fontes:Encyclopaedia Britannica; Chen et al .; Yu e Cardona].
Epitaxia (do grego epi "sobre" + Táxis "arranjo") nos lembra que às vezes a melhor maneira de crescer um cristal é sobre outro cristal. Não basta qualquer cristal, Contudo. Primeiro, a base, ou substrato, deve ser bem plano, mesmo em escala atômica. Segundo, porque a estrutura do substrato influencia fortemente o arranjo atômico do cristal de crescimento, deve corresponder à rede de crescimento desejada o mais próximo possível [fontes:Encyclopaedia Britannica; Fang et al .; Oxford Dictionaries; Yu e Cardona]. Imagine uma prateleira cheia de bolas de bilhar e, em seguida, imagine-se empilhando mais bolas em cima dela. Você pode mover as novas bolas, mas eles sempre acabam sentados nas cavidades entre as bolas abaixo.
Epitaxia é um termo amplo que abrange uma variedade de técnicas [fontes:Encyclopaedia Britannica; Yu e Cardona]:
OK, já chega de conversa sobre eletrônicos de consumo. Todos nós sabemos que não significa nada se você não tem esse brilho.
Fingindo:Rubis e SafirasOs diamantes industriais estão longe de ser as únicas pedras fugazi do mercado. Rubis sintéticos existem desde o cientista francês Marc Gaudin, que ajudou a desenvolver a fotografia de chapa seca, descobri como cultivá-los em 1873. Eles permaneceram bastante fáceis de detectar até cerca de 1950, quando os cientistas descobriram o tratamento térmico como uma forma de remover os padrões de crescimento microscopicamente curvos que revelam a pedra conforme cresceu, não semeado [fontes:Encyclopaedia Britannica; Kay].
Relógios de pulso de última geração às vezes cobrem seus rostos com materiais resistentes a arranhões, mas frágil, safira sintética [fonte:BlueDial].
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Crystal Gayle, Crystal Bernard, Cristal o Macaco - não, não queremos dizer nada disso. Quando falamos de cristais famosos, somos, claro, referindo-se a bling. Gelo. Rocks. Fist sparklers.
Jóias.
As gemas são cristais com um certo algo a mais. Chame isso de pizzazz. Embora tenhamos a tendência de pensar nelas como rochas individuais, muitas gemas surgem dos mesmos minerais. As únicas diferenças entre eles são as idiossincrasias estruturais e as impurezas minerais que os impregnam com suas cores características.
Rubis e safiras são os dois tipos de corindo (óxido de alumínio cristalino, ou alumina), mas enquanto os vermelhos atraentes de ruby derivam de pequenas quantidades de cromo que substituem parcialmente o alumínio na estrutura do cristal, 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 congelou tanto que não derreteu, então eles chamaram 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 pop roxo característico. Alguns dizem que é óxido de ferro, enquanto outros preferem manganês ou hidrocarbonetos [fontes:Banfield; Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica].
A família de minerais ricos em sílica, ou silicatos, inclui turmalina, avaliada tanto como gema quanto por suas propriedades piezoelétricas, e berilo, uma família de gemas que compreende água-marinha (azul-esverdeado claro), esmeralda (verde profundo), heliodor (amarelo dourado) e morganita (rosa). O maior cristal já encontrado foi um berilo de Malakialina, Madagáscar. Mediu 59 pés (18 metros) de comprimento e 11 pés (3,5 metros) de largura, e pesava pesadas 400 toneladas (380, 000 quilogramas) [fontes:Banfield; Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica].
Os silicatos são apenas uma das várias famílias de cristais elementares. Os óxidos (incluindo o supracitado corindo) contêm oxigênio como um íon carregado negativamente; os fosfatos contêm fósforo; boratos explodem com boro (B); sulfetos e sulfatos fervem com enxofre; e os halogenetos se agarram ao cloro e outros elementos do grupo VIIA na tabela periódica [fonte:Banfield].
A família do carbonato contém cristais ricos em carbono e oxigênio. Os joalheiros sabem que é melhor para 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; Encyclopaedia Britannica].
Por último, mas não por último, nas profundezas do estado mexicano de Chihuahua existe uma caverna de calcário apelidada de Cueva de los Cristales, ou Caverna de Cristais, atravessado com soft, cristais transparentes de selênio (um tipo de gesso transparente) tão grandes (cerca de 30 pés ou 9 metros) que diminuem os espeleólogos humanos [fonte:Shea].
Então, qual é o maior cristal em qualquer lugar do mundo? Pode ser 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 roxoA reputação dos cristais como remédios populares remonta muito mais longe do que o movimento da Nova Era. Ametista, por exemplo, obtém seu apelido das palavras gregas que significam "não intoxicado". Os antigos gregos acreditavam que amuletos e recipientes para beber feitos com a gema os protegeria de ficarem embriagados. Estremecemos ao pensar no que eles usaram como remédio para ressaca.
Sistemas auto-organizáveis, de ecologias a (alguns dizem) o próprio universo, são, à sua maneira, tão alucinantes quanto caóticos. De fato, alguns chamam a auto-organização de "anti-caos" porque, enquanto o caos é altamente sensível às condições iniciais, sistemas auto-organizados começam com uma multiplicidade de condições iniciais e terminam virtualmente no mesmo estado final.
Organização e multiplicidade são a essência dos cristais. Eles são definidos por ordem, mas não de um único tipo. Multiplicidades - de morfologias, de treliças, de poliedros, às vezes até de cristais - é por isso que a mesma pilha de átomos pode nos dar diamantes ou grafite. Há algo de sublime nisso.
