結晶はどのように作られていますか?

2013-03-13
メキシコの巨大な水晶は、オーストラリアのアサートンにあるクリスタル洞窟博物館で彼らの崇拝者のためにライトアップされています。

ホープダイヤモンドからフォルジャーズコーヒーの光沢のある部分まで、クリスタルは常に魅了し、占い師を鼓舞し、歴史を通して皇帝の冠を飾る力を持ってきました。しかし、クリスタルは単なる美しいファセットの集まりではありません-それらは便利な特性でちらちらと光ります。それらは加工された金属に力を与え、私たちの時計を動かし、現代生活のデジタルディスプレイと蛍光灯を動かします。

ああ、彼らは私たちの食べ物を味付けし、私たちの飲み物も冷やします。

はい、塩、砂糖、氷も結晶です。前述の宝石、金属、蛍光塗料、液晶と同じです。それは彼らの魅力の一部です。結晶はほとんど何からでも作ることができます。実際、ほとんどの鉱物は自然に結晶形で発生します[出典:スミソニアン]。

この遍在性の手がかりは、私たちの日常のスピーチにあります。誰かの考えが解決策の周りで突然「結晶化」すると言うとき、私たちは皆、それが何を意味するのかを明確にしています。意識しているかどうかにかかわらず、結晶の本質的な品質は秩序であると理解しています。具体的には、原子の規則的で周期的な配置です[出典:UCSB ]。

結晶は、カウンタートップのパイ缶、ハイテクラボ、または地球の奥深くにある亀裂で成長する可能性があります。レシピは一見シンプルです。ガスの雲、溶液のプール、または溶けた岩の塊を取り、適切なミネラルまたは化合物を詰め込み、室温と溶けた溶岩の熱の間のどこかで圧力調理器で焼きます。しかし、そのレシピを実行するには、シェフの芸術性とマスターベイカーの細心の注意が必要になる可能性があります。または、天然の結晶の場合は、運が悪く、非常に多くの時間が必要になります[出典:ハンティング; シア; スミソニアン]。

他のすべてが等しい場合、成長時間が長くなると、汚染物質が少なく、より大きな結晶が生成されます[出典:CU Boulder ; UCSB ]。常に不純物を失いたいとは限りません。結局のところ、宝石に特徴的な色を与えるのは、クロム、鉄、チタンなどの侵入者であり、原子配列の側面もあります[出典:ブリタニカ百科事典; ケイ; スミソニアン]。

もちろん、他の結晶と同様に、結晶は成長する余地が必要です。窮屈な場所に閉じ込めれば、小さいままです。日本の地下鉄の通勤者のような小さなスペースにいくつかの結晶質鉱物を詰め込むと、結晶質の礫岩になってしまいます。花崗岩は、至る所で人気のある墓石とカウンタートップの岩であり、窮屈な火山の割れ目でマグマが冷えるにつれて成長する石英、長石、雲母の結晶の集合体です[出典:スミソニアン]。

これで、結晶を成長させる方法がわかりました。

さて...正確には、再び水晶は何でしたか?

コンテンツ
  1. クリスタルとは?
  2. クリスタルブルーの説得
  3. 私はあなたと溶けます
  4. 私が知っている有名なクリスタル

クリスタルとは?

業界では、ブルービトリオールと呼ばれるこれらの駆け出しの銅塩結晶のあらゆる種類の用途があります。

物理学では、「結晶」という用語は、内部対称性と関連する規則的な表面パターンを持つ固体物質を表します。結晶構造と呼ばれるこの構成は定期的に繰り返されるため、結晶全体の原子の構成を予測するために使用できます[出典:ブリタニカ百科事典; Isaacsetal。]。

この配置がいくつかの隣接する原子を超えて続く場合、それは長距離秩序と呼ばれ、形成中のハーフタイムのバンドマーチングに似ています。LCDモニターに見られるような液晶は、通常、短距離秩序に分類されます(マーチングバンドが小さなサブユニットに散乱掘削する様子を想像してください)。固体結晶はどちらのパターンもとることができます。方法は次のとおりです。結晶性物質が溶けると、アモルファスになります。つまり、短距離秩序しか表示されません。それらが冷えると、それらは長い怒りの形成に戻るか、シリコンベースのガラスのようにアモルファスのままになる可能性があります[出典:Arfkenetal。; ブリタニカ百科事典; Isaacsetal。]。

私たちのバンドメンバーの役割を演じるのは、イオン結合または共有結合によって結合されたイオン(正または負に帯電した原子)です。これらの結合は、調整多面体と呼ばれるさまざまなコンパクトで安定した形状にまとめられます[出典:Banfield ; オランダ語]。

これらの調整多面体をよりよく描写するには、マーチングバンドを忘れて、代わりにアルハンブラ宮殿に見られるような幾何学的なモザイクを描写してください。次に、そのモザイクを3次元で視覚化して、そのテッセラ(タイル)が立方体、ピラミッド、およびダイヤモンド形の固体で構成され、それぞれが特定のタイプの結晶内の原子の配置を記述します。

シリカ結晶では、シリコンの小さな中心イオンが4つの大きな酸素イオンに囲まれ、三角形のピラミッドまたは四面体を形成する場合があります。酸化マンガン(II)では、小さな中央のマンガンイオンが6つの大きな酸素イオン内にあります。1つは上、1つは下、4つは中央付近の正方形で、3次元のダイヤモンドまたは八面体を形成します[出典:Banfield ; オランダ語; パデュー]。

これらの3Dモザイクタイルは、いくつかの異なるパターンまたは格子に詰め込むことができ、コーナー、エッジ、または面に沿って原子結合を共有します。同じ要素は、「タイル形状」(配位多面体)とモザイクパターン(格子)の両方の点で、異なる配置をとることができます。これらのバリエーションは多形と呼ばれ、結晶の特性を決定する上で重要な役割を果たします。カーボンを取る:四面体に配置され、それは有名な硬くて透明なダイヤモンドを形成します。層状のハニカムに配置され、柔らかな灰色のグラファイトを形成します[出典:オランダ語; Purdue ; UCSB ]。

結晶化は必ずしも単結晶を生成するとは限りません。時には、自己秩序化プロセスは、一緒に成長するいくつかのサイトで始まり、異なる方向に沿って整列した格子のパッチワークを形成します。これらの多結晶は、急速な冷却中に発生することが多く、単結晶よりも強い傾向があります[出典:ブリタニカ百科事典; ブリタニカ百科事典; バージニア大学]。加熱すると、大きな結晶は小さな結晶を吸収する可能性があります。したがって、温度と圧力、応力とひずみは、結晶の変形、または結晶の生成に関係なく、結晶の特性に影響を与える可能性があります。

それを習慣にする

結晶は正多面体です。正多角形の3次元バージョンです(正方形は立方体になり、正三角形は三角錐になります)。それにもかかわらず、成長条件はそれらの外観または晶癖を劇的に変化させ、角柱状、針状(針状)、繊維状、等量(すべての方向に等しい)、板状、板状(すべての方向に等しい)などの用語で専門家によって記述された形状を生成する可能性があります板状)、細長い、棒状、ラス状、針状、不規則など[出典:ブリタニカ百科事典; ブリタニカ百科事典; Isaacsetal。]。

クリスタルブルーの説得

おそらく、あなたが舌で捕まえようとした唯一の種類の水晶ですか?

この結晶の話のすべてで、自分で成長させたいと思っている場合は、成長したいものに応じて、運が良かったかどうかはわかりません。塩か砂糖か?もちろん。人工ダイヤモンド?ボンドの悪役ブロフェルドでさえ、密輸する方が簡単だと判断した理由がすぐにわかります。

結晶は、蒸気、溶液、または溶融物の3つの主要な方法のいずれかで成長させることができます。蒸着から始めて、それぞれの方法を一つずつ見ていきましょう。

結晶が蒸気から成長する可能性があるという事実は、当然のことです。結局のところ、大気中の氷の結晶(私たちはそれらを雲や雪片と呼んでいます)は常にそれを行います。大気が湿気で過飽和になるため、それらは蓄積します。特定の温度と圧力で保持できるよりも多くの水が含まれているため、過剰な水は気体状態を離れ、凝集して結晶氷になります[出典:ブリタニカ百科事典; Libbrecht ]。

他の種類の結晶(たとえばシリコン)は、重要な元素で過飽和にされたガスから成長する可能性がありますが、そうするために少し化学反応性のブーストが必要になる場合があります[出典:ブリタニカ百科事典; マッケナ]。

ほとんどの場合、プロセスは、他の分子が懸濁液から出てくるときに、他の分子が層ごとに付着する小さな種結晶から始まります。ヨウ化銀結晶が氷の結晶の核形成サイトを提供することで「人工降雨」を支援するのと同じように。このプロセスには多大な忍耐が必要ですが、驚くほど純粋な結晶が生成されます[出典:ブリタニカ百科事典; マッケナ]。

溶液からの成長は蒸気の成長と多くの共通点がありますが、過飽和媒体として液体が気体に取って代わります。科学プロジェクトとして作成された塩と砂糖の結晶は、溶液で成長した結晶の良い例です。溶質アプローチは、成長速度と結晶サイズの両方の点でガス堆積よりも優れています。理由は次のとおりです。ガス状の状態では、気化した物質が他のガス分子の中でも目がくらむようなウィーンのワルツで渦巻くため、個々のダンサーが床を離れて結晶のクリークに加わるまでに時間がかかることがあります。解決策は、高校のスローダンスのように機能し、表面近くにぶら下がっている結晶化したウォールフラワーを備え、より速い成長を促進します。その使いやすさは、ソリューションアプローチが長年にわたって合成結晶成長を支配していた理由を説明しています[出典:ブリタニカ百科事典; Zaitsevaetal。]。

3番目の方法である溶融物からの成長では、最初にガスを液体状態に冷却し、次に液体が結晶性の固さになるまで冷却する必要があります。メルト法は多結晶の製造に優れていますが、結晶の引っ張り、ブリッジマン法、エピタキシーなどの技術を使用して単結晶を成長させることもできます。次のセクションでそれぞれを詳しく見ていきましょう[出典:ブリタニカ百科事典]。

激しく振動する

結晶は、特に家電製品において、絶縁体または半導体として機能できるさまざまな便利な品質を誇っています。水晶を絞ったり叩いたりすると電荷を帯びる圧電特性により、居間のスピーカーから超音波スキャナーまであらゆる分野で結晶が有用になります。圧電性結晶も電荷の下で振動します。一貫した振動のこの特性により、クォーツ時計と時計は信頼できる時間を保つことができます[出典:ブリタニカ百科事典; ピエゾインスティテュート; スミソニアン]。

私はあなたと溶けます

1975年頃:上級検査技師のチャールズ・ヤングは、コーニンググラスカナダロード工場の結晶生産者で成長しているサファイア結晶を監視しています。結晶はナトリウムランプに使用されました。

歴史的に、溶融物から結晶を成長させることは科学と同じくらい芸術でした。今日、それは、時には分子スケールで、成長条件を細心の注意を払って制御する多くのハイテク技術のいずれかを必要とします。

結晶を引っ張る場合、機械は種結晶を溶けた塊にキスするまで下げ、次に成長する種を徐々に上に動かし、その動きを結晶の成長速度と一致させます。移動速度を変更すると、水晶の直径が変更されます。製造業者は、コンピューターチップに見られる大径のシリコン結晶をこの方法で成長させます。これは、コンピューターも引っ張りプロセスを制御するため、適切と思われます。それを生命のシリコンサークルと考えてください。

ブリッジマン法では、製造業者は、円錐形の下端を備えたるつぼ(物質を加熱するために使用される特殊な容器)を取り、溶融材料を充填してから、より低温の領域に下げます。結晶成長は、冷却されたるつぼの先端で始まり、るつぼが下向きに続くにつれて上に向かって進みます。この行き来するアプローチのおかげで、結晶形成領域は、最終的にるつぼの内容物が単結晶を形成するまで、成長しやすい温度ゾーン内にとどまります[出典:ブリタニカ百科事典; Chenetal。; ユウとカルドナ]。

エピタキシー(ギリシャ語のエピ「アポン」+タクシー「アレンジメント」から)は、結晶を成長させる最良の方法が別の結晶の上にある場合があることを思い出させます。ただし、どのクリスタルでも機能するわけではありません。まず、ベースまたは基板は、原子スケールでも非常に平坦である必要があります。第二に、基板の構造は成長結晶の原子配列に強く影響するため、目的の成長格子に可能な限り一致させる必要があります[出典:ブリタニカ百科事典; Fangetal。; オックスフォード辞書; ユウとカルドナ]。ビリヤードボールの完全なラックを想像してから、その上にさらにボールを積み重ねることを想像してください。新しいボールは移動できますが、常に下のボールの間のくぼみに収まります。

エピタキシーは、さまざまな技術を含む広義の用語です[出典:ブリタニカ百科事典; ユウとカルドナ]:

  • たとえば、分子線エピタキシーMBE)は、分子線を使用して結晶を層ごとに成長させます。
  • 合成ダイヤモンドメーカーは、化学蒸着CVD )に依存しています。これは、流れるガスを優先してビームを交換するより高速なアプローチです。
  • Crystals slated for electronics rely on liquid-phase epitaxy (LPE), in which a crystal grows on a substrate situated within a saturated solution.

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].

Famous Crystals I Have Known

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

民間療法としてのクリスタルの評判は、ニューエイジ運動よりもはるかに遡ります。たとえば、アメジストは「酔っていない」という意味のギリシャ語からそのモニカを取得します。古代ギリシャ人は、宝石で作られたお守りや飲用容器が、ほろ酔いになるのを防ぐと信じていました。彼らが二日酔いの治療薬として何を使用したかを考えると、私たちは身震いします。

多くの詳細情報

著者のメモ:結晶はどのように作られていますか?

生態学から(一部の人は)宇宙自体までの自己組織化システムは、混沌としたものと同じように、独自の方法で心を曲げています。実際、自己組織化を「反カオス」と呼ぶ人もいます。カオスは初期条件に非常に敏感ですが、自己組織化システムは多数の初期条件で始まり、実質的に同じ最終状態になるためです。

組織と多様性は、クリスタルのすべてです。それらは順序によって定義されますが、単一の種類の順序ではありません。形態、格子、多面体、時には結晶の多様性が、同じ原子の山が私たちにダイヤモンドや鉛筆の鉛を与えることができる理由です。その中には崇高なものがあります。

関連記事

ソース

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  • バンフィールド、ジル。「クリスタルとは?」宝石と宝石の材料。カリフォルニア大学バークレー校地球惑星科学部。http://nature.berkeley.edu/classes/eps2/wisc/Lect4.html
  • BlueDial。「ウォッチクリスタルについて」http://www.bluedial.com/crystal.htm
  • ブロード、ウィリアムJ.「地球の核は鉄でできた巨大な結晶かもしれない。」ニューヨークタイムズ。1995年4月4日。http://www.nytimes.com/1995/04/04/science/the-core-of-the-earth-may-be-a-gigantic-crystal-made-of-iron.html ?pagewanted = all&src = pm
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  • スミソニアン協会。「レメルソンセンタープレゼンツ:クォーツ時計。」http://invention.smithsonian.org/centerpieces/quartz/
  • カリフォルニア大学サンタバーバラ校。「鉱物、宝石、結晶は何でできているのですか?」UCSBサイエンスライン。http://scienceline.ucsb.edu/getkey.php?key=291
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  • ユウ、ピーター、マニュエルカルドナ。「半導体の基礎:物理学と材料特性」。スプリンガー。2010年。
  • Zaitseva、Natalia、Leslie Carman、Andrew Glenn、Jason Newby、Michelle Faust、Sebastien Hamel、Nerine Cherepy、Stephen Payne 「有機結晶の急速な成長のための溶液技術の応用」。クリスタルグロースジャーナル。巻 314. Page 163. 2011. https://www-gs.llnl.gov/data/assets/docs/publications/application_solution_techniques.pdf

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