Jak se vynalezla příroda: Fascinující svět krystalů

Krystaly byly mezi prvními geometrickými útvary v přírodě, které upoutaly pozornost nejen vědců. Lidé se postupně naučili tyto fascinující objekty využívat a dokonce začali vyrábět své vlastní, které by v přírodě nevznikly. Málokdo si ale uvědomuje, že nás krystaly obklopují téměř na každém kroku. Obvykle je okem nevidíme, ba dokonce nás ani nenapadne, že ta která věc je z nich složena.

Krystaly již od pradávna přitahovaly pozornost člověka. Zpočátku v nich spatřoval cosi magického a často jim přisuzoval léčivé účinky, později se naučil využívat jejich mimořádných vlastností. Mohou tak dnes být i základem uměle vyrobených kovů a jejich slitin užívaných v mnoha odvětvích průmyslu. I horniny jsou krystaly! Krystaly nejrůznějších minerálů jsou základem hornin a tedy všech horstev na Zemi.

Co je to vlastně krystal?

Aby vědci přesně vymezili význam slova krystal museli vytvořit jeho definici. Přírodovědec definuje krystal naprosto suše a netajemně jako „chemicky homogenní těleso s pravidelnými vnějšími tvary a s pravidelným vnitřním uspořádáním stavebních částic“. Krystal je obvykle výrazně omezen krystalovými plochami. Rozmístění a vzájemná poloha těchto ploch v prostoru mají své zákonitosti a jsou projevem vnitřního uspořádání atomů v krystalové struktuře.

Pokud by se tedy kterýkoliv krystal vyvíjel v ideálním prostředí, kde by mu byl zajištěn pravidelný a dostatečný přísun jeho stavebních částic a okolní podmínky by umožnily krystalu neomezeně růst do všech směrů, pak by se vyvinul naprosto rovnoměrně.

Struktura krystalů

Krystaly které nalézáme v přírodě patří mezi pevné látky, které můžeme zjednodušeně rozdělit na amorfní (beztvaré) a krystalické, kdy hlavní rozdíl mezi nimi je v uspořádání atomů. V amorfních látkách jsou atomy rozmístěny nepravidelně, kdežto v látkách krystalických jsou uspořádány zcela pravidelně v tzv. krystalových strukturách.

Čtěte také: Proč je příroda největší luxus?

Atomy skládají určité opakující se jednotky, které se nazývají základní buňky. Každá taková základní buňka obsahuje stejný počet atomů jednotlivých prvků či molekul, jaký je pak uváděn v chemickém vzorci dané látky. Atomy, ionty či molekuly tvořící základní buňky, jsou vzájemně poutány různými typy chemických a fyzikálních vazeb. Základní buňky jsou však příliš malé na to, aby mohly být pozorovány okem či mikroskopicky, ovšem při seřazení dostatečně vysokého počtu těchto stavebních jednotek, může být jejich tvar, nebo alespoň souměrnost , pozorován v podobě krystalů. Pro představu ohromujícího množství těchto stavebních prvků, nutných pro tvorbu krystalu, si můžeme uvést například obyčejné zrnko soli kamenné na běžném pečivu, které je tvořeno až 10¹⁸ (číslo s 18 nulami) základních buněk složených z iontů sodíku a chlóru.

Krystalové soustavy

Vědci si dávno povšimli, že existují skupiny krystalů vykazující společné prvky souměrnosti (symetrie). Krystaly proto byly podle souměrnosti klasifikovány do sedmi krystalografických soustav. Nejvíce souměrná a tedy nejsložitější je krychlová soustava, jejímž nejčastějším tvarem je krychle. Ostatních šest soustav v pořadí klesající souměrnosti jsou soustavy šesterečná, čtverečná, klencová, kosočtverečná, jednoklonná a trojklonná.

Známe však i chemické látky, jejichž atomy se mohou a dovedou uspořádat v prostoru různými způsoby. Vznikají tak minerály stejného chemického složení, ale různých krystalových struktur. Asi nejznámějším příkladem této zvláštní schopnosti je grafit a diamant, které jsou oba tvořeny z uhlíku, ale jejich krystalové struktury jsou zcela odlišné. Grafit je měkký a diamant je naopak nejtvrdší známou látkou.

Kterákoliv krystalová plocha, kterou na krystalu můžeme vidět, je součástí nějakého tvaru krystalografické soustavy. Existují však i takzvané spojky, což jsou krystaly, které nepatří tam ani tam, protože vznikly kombinací několika různých krystalových tvarů. V přírodě jsou samozřejmě takové spojky tvarů mnohem častější než tvary jednoduché, takže určit správnou soustavu je někdy velice obtížné.

Jak již bylo řečeno, volné krystaly se v přírodě vyskytují vzácně a většinou jsou spíše seskupeny do nejrůznějších srůstových forem. Tak například krystaly vznikající v těsném sousedství, které nemají vlastní krystalové plochy, se označují jako agregáty. Ty jsou pak základem hornin.

Čtěte také: Krásy argentinské provincie

Vznik přírodních krystalů a jejich formy

Volné krystaly jsou ve skutečnosti v přírodě velmi vzácné. Vlastními plochami omezené krystaly vznikaly tam, kde měly prostor pro svůj růst, například v prasklinách horninových masívů, nebo v dutinách po unikajících plynech. Na takových místech pak mluvíme o drúzách, tedy krystalech narostlých na společném podkladu, nebo o geodách, což jsou krystaly vyplňující kulovité dutiny. Příkladem může být třeba achát, který často tvoří jakési jeskyňky, v jejichž středu se nacházejí krystaly křišťálu, ametystu nebo záhnědy. Podle kresby v achátu se určují i jeho jména - obláčkový, okatý, zřítelnicový atd. K achátu patří i sardonyx, který má proužky červenohnědé a bílé a onyx, který je pruhovaný černě a bíle.

Pokud jsou krystaly srostlé náhodně, tvoří krystalové srostlice. Jednotlivé krystaly ovšem nemusí být pouze jednoduché, ale mohou vytvářet dvojčata, trojčata atd., neboli srůstat podle určitých zákonitostí. Takové krystaly se přitom mohou stýkat svými plochami nebo se mohou navzájem někdy i velmi složitě prorůstat.

Samotný proces, při kterém krystalické struktury vznikají se obecně nazývá krystalizace. Krásné výtvory, které přitom příroda modeluje, se mohou vyskytnout při nejrůznějších podzemních situacích v mnoha odlišných podmínkách. K samotné krystalizaci dochází například při chladnutí magmatu a při srážení horkých plynů během sopečné činnosti, dále pak při vysychání mělkých mořských pánví anebo při vzniku rudních žil z horkých roztoků v horninových masívech. V případech, kdy tato zdrojová média obsahují jen jednu chemickou látku, vznikají krystaly jediného minerálu.

Ve skutečnosti jsou ale původní roztoky, plyny atd., obvykle složeny z mnoha chemických komponent a vznikají tak krystaly mnoha minerálů současně, nebo přesněji, v určité časové posloupnosti po sobě, s tím jak se mění fyzikální a chemické podmínky prostředí a celého systému. Nejběžnějším příkladem těchto takzvaných polykrystalických látek mohou být například obyčejné horniny, jako žula nebo čedič.

Nečistoty a defekty v krystalech

Krystaly rostoucí v přírodním prostředí obvykle obsahují různé příměsi, což také v geologii může být vůdčí vlastností při jejich odlišení od krystalů uměle vyrobených. Nečistoty uvnitř krystalů mohou být důsledkem uvěznění nějakých cizorodých částeček během růstu krystalu. Některé krystaly proto obsahují uzavřené krystalky jiných minerálů a často také malé dutinky vyplněné plyny a kapalinami. Tyto dutinky, odborníky nazývané plynokapalné (fluidní) inkluze (cizorodé látky v nerostu) jsou pozůstatkem roztoků, ze kterých krystaly vznikaly.

Čtěte také: Přečtěte si recenzi knihy Kniha, obraz a příroda

Studiem těchto inkluzí je možno získat informace o reálných podmínkách, jaké v přírodě panovaly v době vzniku krystalů a minerálů. Některé inkluze mění dokonce i optické vlastnosti minerálů. Příkladem může být takzvaný modrý křemen, jenž je za normálních okolností zcela čirý, ale v důsledku nahromadění droboučkých jehličkovitých krystalků turmalínu, rozeznatelných až v mikroskopickém měřítku, se takový krystal křemene pak jeví jako modrý. Známějším příkladem tohoto jevu je takzvaný mléčný křemen, kterému zas dávají vzhled a barvu tisíce malých vzduchových bublinek.

Dalším příkladem krystalového defektu jsou vakance, kdy při velmi rychlém růstu krystalu zůstanou některá místa v krystalové mřížce neobsazená. To pak, stejně jako i většina ostatních defektů krystalu, může výrazně ovlivnit fyzikální vlastnosti krystalů.

Rekordmani mezi krystaly

I mezi krystaly se občas najdou unikáty, které si svou velikostí a váhou v ničem nezadají s ostatními rekordmany v Guinessově knize rekordů. Obří krystaly jsou ohromujícím a dokonalým dílem přírody a vznikají pouze vzácně při souhře určitých fyzikálně-chemických a prostorových parametrů. Největší krystaly byly a jsou nalézány jen u omezeného množství minerálů, například u křemene, turmalínu, živců, slíd, ale také u apatitu nebo berylu.

Jedny z největších krystalů jsou obvykle nalézány v hrubozrnných horninách, tzv. pegmatitech, ve kterých se často vyskytují velké dutiny. Například z lokality Black Hills v jižní Dakotě pocházejí krystaly minerálu spodumenu v podobě sloupců o délce až 12 m a váze kamionu - až 37 tun. V roce 2000 byla geology ve Španělsku poblíž města Almeria objevena velká dutina, do které by se vměstnalo 10 lidí a jejíž stěny byly pokryty obrovskými krystaly sádrovce, někdy i metrové velikosti. Ve stejném roce byl ohlášen objev jeskyně se stejným typem výplně v mexickém komplexu Naica, odkud byly hlášeny i krystaly sádrovce o velikosti 12 m.

Dalším velmi známým nalezištěm obřích krystalů je Brazílie. Ve státě Minas Geraís poblíž města Galileia byly nalezeny krystaly křemene a živců o objemu několika metrů krychlových nebo krystal berylu o váze 20 tun. V Brazilském Rio Grande do Sul zas byla nalezena dosud největší ametystová geoda, dosahující délky 10 m, šíře 4,8 m a váhy 7 tun.

Avšak jako největší krystal na světě uvádí většina odborníků krystal berylu z naleziště Malakialina (Madagaskar), který měřil 18 m na výšku, 3,5 m v průměru a jeho vypočtená váha odpovídala 380 tunám, což je srovnatelné s hmotností obřího Boeingu 747. Náhrdelník z takového krystalu berylu by nemohl nosit na krku ani dinosaurus.

Využití krystalů v rukou lidí

Tradice využití krystalů je dlouhá a vznikalo kolem nich i spousta mýtů. Poslední výzkumy ukazují, že technologické využití diamantu je mnohem starší, než se archeologové doposud domnívali. Podařilo se totiž najít doklady, že například diamant se používal již ve starověké Číně k broušení obřadních pohřebních sekyrek před 4500 lety, tedy už v době kamenné.

Stejně jako podkova či čtyřlístek i krystaly měly a stále mají svou symboliku. Byly vždy žádaným artiklem pro své domnělé léčivé účinky či tajemné síly. Víra v tyto vlastnosti přetrvává dodnes, nicméně dosud nebyl podán žádný vědecký důkaz, že by krystaly procházely nějaké druhy energií použitelné pro léčení. Moderní okultisté a léčitelé přesto stále překrucují některé vědecké poznatky o krystalech, aby tak posílili víru v jejich léčivé účinky. Příjemný estetický dojem při nošení krystalů jako ozdob je však asi jejich jediným efektem.

Mnoho objevených fyzikálních vlastností krystalů bylo v zápětí lidmi využito, některé si na svůj vstup do světa lidí musely nějaký čas počkat. V optice se využívalo vlastností islandského kalcitu pro polarizaci světla a k výrobě takzvaného Nikolova hranolu, který sloužil k určování optické stáčivosti roztoků např. v cukrovarnictví. Ve starší radiotechnice zas byly krystaly využívány jako konstrukční prvek součástek k přijímání signálu. Vzpomeňme na kdysi slavnou krystalku…

V roce 1880 objevil Pierre Curie, že některé krystaly při patřičném stlačení produkují elektrický náboj. Tento jev byl označen jako tzv. piezoelektrický efekt, ale až do padesátých let minulého století nebylo této schopnosti krystalů nijak v praxi využito. První běžné technologické využití piezoelektrických vlastností krystalů se uskutečněno v gramofonových jehlách a měřících zařízeních. V dnešní době se této vlastnosti využívá téměř v každém zařízení, které vyžaduje velmi přesné měření a záznam dynamických změn mechanických vlastností jako jsou tlak, síla či zrychlení. Kuřáci se s touto vlastností krystalů setkávají při každém zapálení cigarety piezoelektrickým zapalovačem.

Moderní využití krystalů

Jako příklady současných moderních aplikací, využívajících jedinečných vlastností krystalů, mohou posloužit solární panely či polovodiče, které nás dnes obklopují na každém kroku. Solární buňky, jejichž princip je založen na vlastnostech krystalků křemíku znečištěných borem a fosforem, například produkují takzvanou fotovoltaickou energii.

Krystal rubínu byl také nezbytnou rekvizitou při dalším velmi významném objevu minulého století, laseru. Americký fyzik Theodor H. Maiman v roce 1960 vyleštil koncové stěny krystalu rubínu, pokryl je tenkou vrstvičkou stříbra a po ozáření krystalu zeleným světlem jednou z vyleštěných ploch pronikl paprsek červeného laserového světla. Běžné využití laserů je v dnešní době na vzestupu. Najdeme je nejen v medicíně, ale třeba i v CD či DVD přehrávačích, zaměřovačích, výpočetní technice… Krystaly se jistě mohou počítat k materiálům jejichž potenciál nebyl zcela vyčerpán a které budou nadále zajímavými objekty výzkumu a vývoje.

Uměle vyrobené krystaly

Ne všechny látky nám příroda nabízí v podobě dostatečně velkých a kvalitních krystalů. S rostoucím rozvojem přírodních věd se proto odborníci snaží připravovat krystaly látek sami. A daří se jim to! Začali nejprve se šperkařskými materiály, jako jsou rubín či diamant, a třebaže je jejich krystalizace složitá, podařilo se ji realizovat v laboratorních i průmyslových podmínkách. Takto získané krystaly se dnes běžně používají třeba jako součásti laserů (umělé granáty) nebo brusný materiál. Lidé se naučili vyrábět i krystaly látek, které se v přírodě běžně nevyskytují, ale mají přitom velmi cenné fyzikální vlastnosti.

tags: #jak #se #vynalezala #priroda

Oblíbené příspěvky:

• Komunální odpad Dolní Chabry
• Produkce odpadu na osobu v ČR
• Technické detaily vozidla pro měření emisí
• Harmonogram svozu odpadu Petřvald
• Přednáška o Elementárních Bytostech