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¿Cómo se hacen los cristales?

¿Cómo se hacen los cristales?
Satisfacer
  1. ¿Qué son los cristales?
  2. Persuasión de cristal azul
  3. Me derretiré contigo
  4. Cristales famosos que conocí

¿Qué son los cristales?

La industria tiene todo tipo de usos para estos nuevos cristales de sal de cobre llamados vitriolo azul.

Dorling Kindersley / Getty Images

En física, el término “cristal” describe una sustancia sólida con simetría interna y un patrón de superficie regular asociado. Esta configuración, llamada estructura cristalina, se repite con tanta frecuencia que puedes usarlo para predecir la organización de los átomos en todo el cristal [sources: Encyclopaedia Britannica; Isaacs et al.].

Si esta disposición se extiende más allá de unos pocos átomos cercanos, se llama orden a largo plazo, similar a un grupo de medio tiempo que marcha en formación. Los cristales líquidos, como los que se encuentran en los monitores LCD, generalmente se caen control de corto alcance (Imagine que la banda móvil dispersa la perforación en subunidades más pequeñas). Los cristales sólidos pueden adoptar ambos modelos. He aquí cómo: cuando las sustancias cristalinas se disuelven, se vuelven amorfo, lo que significa que solo ven el pedido de cerca. Después de enfriarse, pueden caer en una formación duradera o permanecer amorfos, como el vidrio a base de silicio. [sources: Arfken et al.; Encyclopaedia Britannica; Isaacs et al.].

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Los iones (átomos con carga positiva o negativa) están conectados por enlaces iónicos o covalentes. Estas conexiones vienen en varias formas compactas y estables llamadas poliedros coordinadores [sources: Banfield; Dutch].

Para imaginar mejor estos poliedros coordinados, olvídate de la fanfarria y, en cambio, imagina un mosaico geométrico como los que se encuentran en la Alhambra. Ahora visualice este mosaico tridimensional de modo que sus mosaicos (mosaicos) estén hechos de cubos, pirámides y sólidos en forma de diamante, cada uno de los cuales describe la disposición de los átomos en un tipo particular de cristal.

En un cristal de sílice, un pequeño ión de silicio central puede estar rodeado por cuatro iones de oxígeno más grandes, formando una pirámide triangular o tetraedro. En el óxido de manganeso (II), un pequeño ion de manganeso central se encuentra en seis iones de oxígeno más grandes: uno arriba, uno abajo y cuatro en un cuadrado alrededor del centro, formando un diamante o octaedro tridimensional. [sources: Banfield; Dutch; Purdue].

Estos mosaicos 3D se pueden empaquetar en diferentes diseños o enrejado, 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 lo que respecta a sus “formas de baldosas” (poliedros coordinadores), como a sus motivos de mosaico (enrejados). Estas variaciones se llaman polimórficoy juegan un papel clave en la determinación de las propiedades de un cristal. Veamos el carbono: dispuesto en forma tetraédrica, forma diamantes transparentes y duros; nido de abeja en capas en capas, forma de grafito gris liso [sources: Dutch; Purdue; UCSB].

La cristalización no siempre produce cristales únicos. A veces, el proceso de autocontrol comienza en una serie de lugares que crecen juntos, formando un mosaico de cerchas alineadas en diferentes direcciones. Esos policristalino, que a menudo se desarrollan en un enfriamiento rápido, tienden a ser más fuertes que los cristales [sources: Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica; University of Virginia]. Cuando se calienta, los cristales más grandes pueden absorber los más pequeños. Por tanto, la temperatura y la presión, el estrés y la tensión pueden influir en las características de los cristales, tanto en su transformación como en su creación.

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Persuasión de cristal azul

¿Quizás el único tipo de cristal que trataste de tomar con tu lengua?

¿Quizás el único tipo de cristal que trataste de tomar con tu lengua?

iStockphoto / Thinkstock

Si toda esta charla de cristal te hace crecer un poco por tu cuenta, tienes suerte o no, dependiendo de lo que quieras cultivar. ¿Sal o azúcar? Por supuesto. ¿Diamantes artificiales? Pronto verá por qué incluso el villano de Bond, Blofeld, decidió que era más fácil pasarlos de contrabando.

Puede cultivar cristales de tres formas principales: vapor, solución o hierro fundido. Echemos un vistazo a cada método, uno por uno, comenzando con deposición de vapor.

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El hecho de que los cristales se puedan desarrollar a partir del vapor no debería sorprender. Después de todo, los cristales de hielo atmosféricos, los llamamos nubes y copos de nieve, siempre aparecen. 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 sale del estado gaseoso y se agrega en hielo cristalino [sources: Encyclopaedia Britannica; Libbrecht].

Otros tipos de cristales, como el silicio, pueden desarrollarse a partir de gases sobresaturados con elementos clave, pero para ello puede ser necesario un pequeño impulso químicamente reactivo. [sources: Encyclopaedia Britannica; McKenna].

En la mayoría de los casos, el proceso comienza con una pequeña semilla de cristal a la que se adhieren otras moléculas, capa por capa, a medida que salen de la suspensión, al igual que los cristales de yoduro de plata ayudan a “esparcir” las nubes “proporcionando cristales de hielo. El proceso requiere mucha paciencia, pero produce cristales sorprendentemente puros. [sources: Encyclopaedia Britannica; McKenna].

Crecimiento de la solución tiene mucho en común con el crecimiento del vapor, pero el líquido reemplaza al gas como medio sobresaturado. Los cristales de sal y azúcar creados en proyectos científicos son buenos ejemplos de cristales cultivados en solución. El enfoque de soluto supera la deposición de gas en términos de tasa de crecimiento y tamaño de cristal. He aquí por qué: en estado gaseoso, la sustancia vaporizada gira en un impresionante vals vienés entre otras moléculas de gas, y puede que los bailarines tarden un poco en dejar el suelo y unirse a la camarilla cristalina. Una solución funciona más como un baile lento en la escuela secundaria, con flores cristalizadas colgando cerca de la superficie, lo que promueve un crecimiento más rápido. Su facilidad de uso explica por qué el enfoque de la solución ha dominado el crecimiento de cristales sintéticos durante muchos años. [sources: Encyclopaedia Britannica; Zaitseva et al.].

El tercer método, crecimiento de hierro fundido, requiere primero enfriar un gas a un estado líquido y luego enfriar el líquido hasta que alcance la solidez cristalina. El método de fusión es excelente en la producción de policristales, pero también puede hacer crecer cristales únicos utilizando técnicas como la extracción de cristales, el método de Bridgman y la epitaxia. Veremos cada uno en la siguiente sección. [source: Encyclopaedia Britannica].

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Me derretiré contigo

Hacia 1975: Charles Young, un técnico de laboratorio superior, observa la  Los cristales de zafiro crecen en un fabricante de cristales en la fábrica de Corning Glass Canada Road.  Los cristales se utilizaron en lámparas de vapor de sodio.

Alrededor de 1975: Charles Young, un técnico de laboratorio superior, observa cómo crecen los cristales de zafiro en un fabricante de cristales en la fábrica de Corning Glass Canada Road. Los cristales se utilizaron en lámparas de vapor de sodio.

© Nathan Benn / CORBIS

Históricamente, el cultivo de cristales de hierro fundido fue tanto un arte como una ciencia. Hoy en día, esto implica una de las muchas técnicas de alta tecnología que controlan meticulosamente las condiciones de crecimiento, a veces a nivel molecular.

Adentro tirando de cristal, una máquina baja una semilla de cristal hasta que abraza una esfera de fusión, luego mueve gradualmente la semilla hacia arriba, sincronizando su movimiento para igualar la tasa de crecimiento del cristal. Cambiar la velocidad del movimiento cambia el diámetro del cristal. Los fabricantes cultivan cristales de silicio de gran diámetro que se encuentran en 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 vital del silicio.

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Debajo de Método Bridgman, los fabricantes toman un crisol (un recipiente especial que se usa para calentar sustancias) con un extremo inferior ahusado, lo llenan con material fundido y luego lo bajan a una región más fría. El crecimiento del cristal comienza al final del crisol enfriado, luego progresa hacia arriba mientras el crisol continúa hacia abajo. Con este enfoque de ida y vuelta, la zona de formación de cristales permanece en una zona de temperatura adecuada para el crecimiento hasta que finalmente el contenido del crisol forma un solo cristal. [sources: Encyclopaedia Britannica; Chen et al.; Yu and Cardona].

Epitaxia (Griego oído “en” + Taxi “arreglo”) nos recuerda que a veces la mejor manera de hacer crecer un cristal es en otro cristal. Sin embargo, cualquier cristal no es bueno. Primero, la base o sustrato debe ser lo suficientemente plano, incluso en la escala atómica. En segundo lugar, dado que la estructura del sustrato influye fuertemente en la disposición atómica del cristal de crecimiento, debe corresponder lo más cerca posible a la red de crecimiento deseada. [sources: Encyclopaedia Britannica; Fang et al.; Oxford Dictionaries; Yu and Cardona]. Imagina un estante lleno de bolas de billar y luego imagina apilar varias bolas en la parte superior. Puede mover las bolas nuevas, pero siempre terminan en las cavidades entre las bolas de abajo.

La epitaxia es un término amplio que abarca una variedad de técnicas. [sources: Encyclopaedia Britannica; Yu and Cardona]:

  • Epitaxia de haz molecular (MBE), por ejemplo, crea cristales capa por capa utilizando haces de moléculas.
  • Los productores de diamantes sintéticos confían en deposición de vapor químico (CVD), un enfoque más rápido que cambia el haz a favor de un gas en movimiento.
  • Los cristales para la electrónica dependen de epitaxia en fase líquida (LPE), en el que un cristal crece sobre un sustrato ubicado en una solución saturada.

De acuerdo, deja de hablar de electrónica de consumo. Todos sabemos que no significa nada si no tienes ese brillo.

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Cristales famosos que conocí

Crystal Gayle, Crystal Bernard, Crystal el mono, no, no estamos hablando de eso. Cuando hablamos de cristales famosos, obviamente nos referimos a bling. Helado. Rocas. Serpentinas de puños.

Joya.

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Las gemas son cristales con algo extra. Llámalo picante. Aunque tendemos a pensar en ellos como rocas individuales, muchas gemas provienen de los mismos minerales. Las únicas diferencias entre ellos son las peculiaridades estructurales y las impurezas minerales que los impregnan con sus colores característicos.

Los rubíes y los zafiros son los dos tipos de corindón (óxido de aluminio cristalino o alúmina), pero mientras que los atractivos rojos del rubí provienen de cantidades minúsculas de cromo que reemplazan parcialmente al aluminio en la estructura cristalina, los azules brillantes del zafiro provienen de impurezas de hierro y titanio. [sources: Encyclopaedia Britannica; Kay].

La amatista y el citrino son versiones diferentes del cuarzo (dióxido de silicio cristalino también conocido como sílice), que es naturalmente incoloro. Los antiguos griegos pensaban que el cuarzo era hielo que se congelaba con tanta fuerza que no se derretía, así que lo llamaron Krystallos (“hielo”), dándonos así la palabra cristal. El cítrico amarillento proviene de la amatista sobrecalentada, pero los expertos no están de acuerdo en qué es exactamente lo que le da a la amatista su característico brillo púrpura. Algunos dicen que es óxido de hierro, mientras que otros prefieren manganeso o hidrocarburos. [sources: Banfield; Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica].

La familia de minerales ricos en sílice, o silicatos, incluye la turmalina, valorada como piedra preciosa por sus propiedades piezoeléctricas, y el berilo, una familia de gemas que incluye aguamarina (azul verdoso claro), esmeralda (verde oscuro), heliodoro (amarillo dorado). )) y morganita (rosa). El cristal más grande jamás encontrado fue un berilo de Malakialina, Madagascar. Tenía 18 metros de largo y 3,5 metros de diámetro y pesaba 400 toneladas (380.000 kilogramos). [sources: Banfield; Encyclopaedia Britannica; Encyclopaedia Britannica].

Los silicatos son solo una de las muchas familias de cristales elementales. Los óxidos (incluido el corindón antes mencionado) contienen oxígeno como ión cargado negativamente; los fosfatos contienen fósforo; los boratos explotan con boro (B); los sulfuros y sulfatos hierven con azufre; y los haluros están firmemente unidos al cloro y otros elementos del grupo VIIA de la tabla periódica [source: Banfield].

La familia de los carbonatos contiene cristales ricos en carbono y oxígeno. Los joyeros saben esto sobre la aragonita, una variedad de carbonato de calcio que utilizan las ostras para hacer perlas. La aragonita puede formarse mediante procesos geológicos o biológicos. [sources: Banfield; Encyclopaedia Britannica].

Por último, pero no menos importante, en las profundidades del estado mexicano de Chihuahua hay una cueva de piedra caliza apodada Cueva de los Cristales, o Cueva de los Cristales, entrecruzada con suaves cristales transparentes de selenio (un tipo de yeso transparente) tan grande (de 30 pies o más). aproximadamente 9 m) eclipsar espeleólogos humanos [source: Shea].

Entonces, ¿cuál es el cristal más grande del mundo? Podría estar en el mundo, literalmente. El núcleo interno del tamaño de la luna, dicen algunos científicos, podría ser un cristal de hierro gigante [source: Broad].

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Cristales de cuarzo gigantes de México se iluminan para los admiradores en el Atherton Crystal Cave Museum, Australia.

Cristales de cuarzo gigantes de México se iluminan para los admiradores en el Atherton Crystal Cave Museum, Australia.

© Stuart Westmorland / Science Faction / Corbis

Desde Hope Diamond hasta las piezas brillantes de Folgers Coffee, los cristales siempre han tenido el poder de cautivar, inspirar a los visionarios y adornar las coronas de los emperadores a lo largo de la historia. Pero Los cristales no son solo un montón de hermosas facetas, brillan con propiedades útiles. Permiten mecanizar metales, hacen que nuestros relojes funcionen y potencian las pantallas digitales y las lámparas fluorescentes de la vida moderna.

Ah, y condimentan nuestra comida y también enfrían nuestras bebidas.

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Sí, la sal, el azúcar y el hielo también son cristales, al igual que las gemas, los metales, las tintas fluorescentes y los cristales líquidos que mencionamos. Esto es parte de su encanto; los cristales pueden estar hechos de cualquier cosa. De hecho, la mayoría de los minerales se encuentran naturalmente en forma cristalina. [source: Smithsonian].

Una pista de esta omnipresencia se puede encontrar en nuestro discurso diario. Cuando decimos que los pensamientos de alguien de repente “cristalizan” en torno a una solución, todos comprendemos plenamente lo que eso significa: que una mezcla de posibilidades se ha convertido en algo tranquilo y ordenado. Conscientemente o no, entendemos que la cualidad esencial de un cristal es el orden, específicamente una disposición regular y periódica de átomos. [source: UCSB].

Los cristales pueden crecer en una caja de pastel de venta libre, en un laboratorio de alta tecnología o en una grieta en las profundidades de la tierra. La receta es aparentemente simple: tome una nube de gas, un charco de solución o una gota de roca derretida, sobrecargue con el mineral o abono adecuado y cocine en una olla a presión en algún lugar entre la temperatura ambiente y el calor de la lava fundida. . Pero la ejecución de esta receta puede requerir la habilidad de un chef y el control meticuloso de un maestro panadero o, en el caso de los cristales naturales, una suerte estúpida y mucho tiempo. [sources: Hunting; Shea; Smithsonian].

En igualdad de condiciones, los tiempos de crecimiento más largos producen cristales más grandes con menos contaminantes [sources: CU Boulder; UCSB]. No es que siempre quisieras perder impurezas: después de todo, son intrusos como el cromo, el hierro y el titanio, así como aspectos de la disposición atómica, que dan a las gemas sus colores distintivos. [sources: Encyclopaedia Britannica; Kay; Smithsonian].

Por supuesto, los cristales, como cualquier otra cosa, necesitan espacio para crecer. Llévelos a barrios estrechos y serán pequeños; Empaque varios minerales cristalinos en un espacio pequeño como los pasajeros del metro japonés y termine con conglomerados de cristal. El granito, la roca preferida para lápidas y encimeras en todas partes, es un conglomerado de cristales de cuarzo, feldespato y mica, que se desarrollan cuando el magma se enfría en estrechas grietas volcánicas. [source: Smithsonian].

Así que aquí está: cómo hacer crecer un cristal.

Ahora … ¿qué es exactamente un cristal?

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