Des cristaux de quartz géants du Mexique sont illuminés pour leurs admirateurs au Crystal Caves Museum d'Atherton, Australie. © Stuart Westmorland/Science Faction/Corbis Du diamant Hope aux morceaux brillants du café Folgers, les cristaux ont toujours eu le pouvoir de fasciner, inspirant les devins et ornant les couronnes des empereurs à travers l'histoire. Mais les cristaux ne sont pas seulement un tas de jolies facettes - ils brillent de propriétés utiles. Ils donnent de la force aux métaux travaillés, faire fonctionner nos garde-temps et piloter les affichages numériques et les ampoules fluorescentes de la vie moderne.
Oh, et ils assaisonnent nos aliments et rafraîchissent également nos boissons.
Oui, sel, le sucre et la glace sont des cristaux, trop, tout comme les gemmes, métaux, les peintures fluorescentes et les cristaux liquides dont nous avons parlé. Cela fait partie de leur charme; les cristaux peuvent être fabriqués à partir de n'importe quoi. En réalité, la plupart des minéraux se présentent naturellement sous une forme cristalline [source :Smithsonian].
Un indice de cette ubiquité se trouve dans notre discours de tous les jours. Quand nous disons que les pensées de quelqu'un se « cristallisent » soudainement autour d'une solution, nous sommes tous parfaitement clairs sur 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 habitué, arrangement périodique des atomes [source :UCSB].
Les cristaux peuvent pousser dans un moule à tarte de comptoir, un laboratoire de haute technologie ou une fissure au plus profond de la Terre. La recette est d'une simplicité trompeuse :prenez un nuage de gaz, une mare de solution ou une goutte de roche fondue, le surcharger avec le bon minéral ou composé, puis faites cuire dans une cocotte-minute 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, chance stupide et beaucoup de temps [sources :Chasse; Karité; Smithsonian].
Toutes choses 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 des aspects de l'arrangement atomique -- qui donnent aux pierres précieuses leurs couleurs caractéristiques [sources :Encyclopaedia Britannica; Kay ; Smithsonian].
Bien sûr, cristaux, comme n'importe quoi d'autre, besoin d'espace pour grandir. Enfermez-les dans des quartiers exigus et ils restent petits; mettre plusieurs minéraux cristallins dans un petit espace comme les navetteurs du métro japonais, et vous vous retrouvez avec des conglomérats de cristal. Granit, le rocher préféré des pierres tombales et des comptoirs partout, est un conglomérat de quartz, cristaux de feldspath et de mica, qui se développent à mesure que le magma se refroidit dans des fissures volcaniques étroites [source :Smithsonian].
Alors voilà :comment faire pousser un cristal.
Maintenant... ce qui était encore un cristal, exactement?
Contenu
L'industrie a toutes sortes d'utilisations pour ces cristaux de sel de cuivre naissants surnommés le vitriol bleu. Dorling Kindersley/Getty Images En physique, le terme "cristal" décrit une substance solide avec une symétrie interne et un connexe, motif de surface régulier. Cette configuration, appelé le structure en cristal , revient 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 prolonge au-delà de quelques atomes voisins, on l'appelle commande à longue distance , semblable à une fanfare à mi-temps marchant en formation. Cristaux liquides, comme ceux trouvés dans les moniteurs LCD, tombent généralement dans ordre à courte distance (imaginez la fanfare en train de forer des sous-unités plus petites). Les cristaux solides peuvent assumer l'un ou l'autre motif. Voici comment :à mesure que les substances cristallines fondent, ils deviennent amorphe , ce qui signifie qu'ils affichent uniquement l'ordre à courte portée. En refroidissant, ils peuvent soit retomber dans une formation de 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 groupe se trouvent des ions (atomes chargés positivement ou négativement) liés par des liaisons ioniques ou covalentes. Ces liens s'entassent dans divers compacts, formes stables appelées polyèdres de coordination [sources :Banfield ; Néerlandais].
Pour mieux se représenter ces polyèdres de coordination, oubliez la fanfare et imaginez plutôt une mosaïque géométrique comme celles trouvées à l'Alhambra. Visualisez maintenant cette mosaïque en trois dimensions de sorte que ses tesselles (tuiles) soient constituées de cubes, pyramides et solides en forme de losange, dont chacun décrit l'arrangement des atomes dans un type donné de cristal.
Dans un cristal de silice, un petit ion central de silicium pourrait 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 oxygène plus gros - un au-dessus, un en dessous et quatre dans un carré autour du milieu, former un diamant tridimensionnel, ou octaèdre [sources :Banfield; Néerlandais; Purdû].
Ces carreaux de mosaïque 3D peuvent être emballés dans 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 (réseaux). Ces variantes sont appelées polymorphes , et ils jouent un rôle clé dans la détermination des propriétés d'un cristal. Prenons le carbone :disposé en tétraèdre, il forme notoirement dur, diamants clairs; disposé en nid d'abeille en couches, il forme doux, graphite gris [sources :néerlandais; 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 treillis alignés dans différentes directions. Ces polycristaux , qui se développent souvent lors d'un refroidissement rapide, ont tendance à être plus solides que les monocristaux [sources :Encyclopaedia Britannica; Encyclopédie Britannica; Université de Virginie]. Lorsqu'il est chauffé, les cristaux plus gros peuvent absorber les plus petits. Donc température et pression, le stress et la déformation peuvent influencer les caractéristiques des cristaux, que ce soit dans leur transformation - ou leur création.
En faire une habitudeLes cristaux sont des polyèdres réguliers -- versions tridimensionnelles de polygones réguliers (les carrés deviennent des cubes, les triangles équilatéraux deviennent des pyramides triangulaires). Néanmoins, les conditions de croissance peuvent provoquer leur aspect extérieur, ou habitude de cristal , varier considérablement, produire des formes décrites par des experts avec des termes tels que prismatique, aciculaire (en forme d'aiguille), fibreux, equant (égal dans toutes les directions), tabulaire, platy (en forme de plaque), allongé, comme une tige, en forme de latte, en forme d'aiguille, irrégulier et ainsi de suite [sources :Encyclopaedia Britannica; Encyclopédie Britannica; Isaacs et al.].
Peut-être le seul type de cristal que vous ayez essayé d'attraper sur votre langue ? iStockphoto/Thinkstock Si tout ce discours sur les cristaux vous donne envie d'en cultiver vous-même, vous avez de la chance - ou pas, selon ce que vous voulez faire pousser. Sel ou sucre? Sûr. Diamants artificiels ? Vous verrez 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, à partir d'une solution ou à partir d'une masse fondue. Regardons chaque méthode une par une, commençant par dépôt de vapeur .
Le fait que des cristaux puissent se développer à partir d'une vapeur ne devrait pas surprendre. Après tout, les cristaux de glace atmosphérique - nous les appelons nuages et flocons de neige - le font tout le temps. Ils s'accumulent parce que l'atmosphère devient sursaturé avec de l'humidité :il contient plus d'eau qu'il ne peut en contenir à une température et une pression données, ainsi l'excès d'eau quitte l'état gazeux et s'agrège en glace cristalline [sources :Encyclopaedia Britannica; Libbrecht].
Autres types de cristaux -- silicium, par exemple - peut se développer à partir de gaz sursaturés avec des éléments clés, mais pourrait 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 petit cristal germe auquel d'autres molécules se fixent, couche par couche, à mesure qu'ils sortent de la suspension - de la même manière que les cristaux d'iodure d'argent aident à "l'ensemencement des nuages" en fournissant des sites de nucléation pour les cristaux de glace. Le processus demande une grande patience, mais il produit des cristaux étonnamment purs [sources :Encyclopaedia Britannica; McKenna].
Croissance à partir de la solution a beaucoup en commun avec la croissance de la vapeur, mais le liquide remplace le gaz comme milieu sursaturé. Les cristaux de sel et de sucre créés dans le cadre de projets scientifiques sont de bons exemples de cristaux cultivés en solution. L'approche du 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 au lycée, compléter avec des giroflées cristallisantes 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, croissance de la fonte , nécessite d'abord de refroidir un gaz à l'état liquide, puis de refroidir le liquide jusqu'à ce qu'il atteigne la solidité cristalline. La méthode de fusion excelle dans la fabrication de polycristaux, mais peut également faire croître des monocristaux à l'aide de techniques telles que le tirage de cristaux, la méthode Bridgman et l'épitaxie. Examinons chacun de plus près dans la section suivante [source :Encyclopaedia Britannica].
Osciller sauvagementLes cristaux offrent une gamme de qualités pratiques, en particulier dans l'électronique grand public, où ils peuvent agir comme isolants ou semi-conducteurs. Les propriété piézoélectrique , dans lequel 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 cohérente permet aux horloges et montres à quartz de conserver une heure fiable [sources :Encyclopaedia Britannica; Institut Piezo; Smithsonian].
Vers 1975 :Charles Young, technicien de laboratoire principal, observe la croissance de cristaux de saphir dans un cristallier à l'usine de Corning Glass Canada Road. Les cristaux ont été utilisés dans des lampes à vapeur de sodium. © Nathan Benn/CORBIS 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 des nombreuses techniques de haute technologie qui contrôlent méticuleusement les conditions de croissance, parfois à l'échelle moléculaire.
Dans tirant de cristal , une machine abaisse un cristal germe jusqu'à ce qu'il embrasse juste une boule de fonte, puis déplace progressivement la graine bourgeonnante vers le haut, chronométrer son mouvement pour coïncider avec le taux de croissance du cristal. La modification de la vitesse de déplacement modifie le diamètre du cristal. Les fabricants font pousser les cristaux de silicium de grand diamètre trouvés dans les puces informatiques de cette façon - ce qui semble approprié, puisque les ordinateurs contrôlent également le processus de tirage. Considérez-le comme le cercle de vie en silicium.
Sous le Méthode Bridgman , les fabricants prennent un creuset (un récipient spécialisé utilisé pour chauffer des substances) avec une extrémité inférieure conique, remplissez-le de matière fondue, puis abaissez-le dans une région plus froide. La croissance cristalline démarre à la pointe du creuset refroidi, puis remonte au fur et à mesure que le creuset continue vers le bas. Grâce à ce va-et-vient, la zone de formation de cristaux reste dans une zone de température favorable à la croissance jusqu'à ce que, finalement, le contenu du creuset forme un monocristal [sources :Encyclopaedia Britannica; Chen et al.; Yu et Cardona].
Epitaxie (du grec épi "sur" + Taxis "arrangement") nous rappelle que parfois la meilleure façon de faire croître un cristal est au-dessus d'un autre cristal. Pas n'importe quel cristal fera l'affaire, toutefois. D'abord, la base, ou substrat, doit être assez plat, même à l'échelle atomique. Seconde, 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; Fang et al.; Dictionnaires d'Oxford ; Yu et Cardona]. Imaginez un rack complet de boules de billard, puis imaginez empiler plus de boules dessus. Vous pouvez déplacer les nouvelles balles, mais ils 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] :
D'ACCORD, assez parlé d'électronique grand public. Nous savons tous que cela ne veut rien dire si vous n'avez pas ce bling.
Faire semblant :rubis et saphirsLes diamants industriels sont loin d'être les seules pierres fugazi sur le marché. Les rubis synthétiques existent depuis le scientifique français Marc Gaudin, qui a aidé à développer la photographie sur plaque sèche, compris comment les cultiver en 1873. Ils sont restés assez faciles à détecter jusque vers 1950, lorsque les scientifiques ont recours au traitement thermique pour éliminer les motifs de croissance microscopiquement incurvés qui révèlent la croissance de la pierre, non semé [sources :Encyclopaedia Britannica; Kay].
Les montres-bracelets haut de gamme recouvrent parfois leur visage d'anti-rayures, mais fragile, saphir synthétique [source :BlueDial].
Lire la suite
Cristal Gayle, Cristal Bernard, Crystal le singe -- non, nous ne parlons d'aucun de ceux-là. Quand nous parlons de cristaux célèbres nous sommes, bien sûr, se référant au bling. La glace. Rochers. Poing cierges magiques.
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 particularités structurelles et les impuretés minérales qui les imprègnent de leurs couleurs de marque.
Les rubis et les saphirs sont deux types de corindon (oxyde d'aluminium cristallin, ou alumine), mais tandis que les rouges succulents du rubis dérivent d'infimes quantités de chrome qui remplacent partiellement l'aluminium dans la structure cristalline, le bleu brillant du saphir provient d'impuretés de fer et de titane [sources :Encyclopaedia Britannica; Kay].
L'améthyste et la citrine sont des versions différentes du quartz (dioxyde de silicium cristallin aka silice), qui est naturellement incolore. Les Grecs de l'Antiquité pensaient que le quartz était de la glace qui avait gelé si fort qu'elle ne fondait pas, alors ils l'ont appelé krystallos ("la glace"), nous donnant ainsi le mot cristal. La citrine jaunâtre provient d'une améthyste surchauffée, mais les experts diffèrent sur ce qui donne précisément à l'améthyste son pop violet caractéristique. Certains disent que c'est de l'oxyde de fer, tandis que d'autres privilégient le manganèse ou les hydrocarbures [sources :Banfield; Encyclopédie Britannica; Encyclopédie Britannica].
La famille des minéraux riches en silice, ou des silicates, comprend la tourmaline, apprécié à la fois comme pierre précieuse et pour ses propriétés piézoélectriques, et du béryl, une famille de gemmes comprenant l'aigue-marine (bleu-vert pâle), émeraude (vert foncé), heliodor (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 éclatent en bore (B); les sulfures et les sulfates bouillonnent de soufre; et les halogénures tiennent fermement au chlore et à d'autres éléments du groupe VIIA dans le 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 mais pas dernier, au fond de l'état mexicain de Chihuahua se trouve une caverne calcaire surnommée la Cueva de los Cristales, ou Grotte de Cristaux, traversé de doux, cristaux transparents de sélénium (un type de gypse transparent) si gros (de l'ordre de 30 pieds ou 9 mètres) qu'ils éclipsent les spéléologues humains [source :Shea].
Alors, quel est le plus gros cristal du monde ? C'est peut-être dans le monde -- littéralement. Selon certains scientifiques, Le noyau interne de la taille de la lune de la Terre pourrait être un cristal de fer géant [source :Broad].
Vous regardez un peu violet dans le visageLa réputation des cristaux en tant que remèdes populaires remonte à bien plus loin que le mouvement New Age. Améthyste, par exemple, tire son surnom des mots grecs qui signifient "pas en état d'ébriété". Les Grecs de l'Antiquité croyaient que les amulettes et les récipients à boire fabriqués à partir de la pierre précieuse les protégeraient de l'ivresse. Nous frissonnons en pensant à ce qu'ils utilisaient comme remède contre la gueule de bois.
Systèmes auto-organisés, des écologies à (certains disent) l'univers lui-même, sont à leur manière aussi hallucinants que chaotiques. En effet, certains ont qualifié l'auto-organisation d'"anti-chaos" parce que, alors que le chaos est très sensible aux conditions initiales, les systèmes auto-organisés commencent par une multiplicité de conditions initiales et finissent pratiquement dans le même état final.
L'organisation et la multiplicité sont la raison d'être des cristaux. Ils sont définis par ordre, mais pas d'ordre d'un seul type. Multiplicités -- des morphologies, de treillis, de polyèdres, parfois même de cristaux - c'est pourquoi le même tas d'atomes peut nous donner des diamants ou de la mine de crayon. Il y a quelque chose de sublime là-dedans.
