Ve světě krystalů – oheň a voda, perfekce a nedokonalost

U jejich zrodu je výheň, chlad nebo voda. Splňují sen o pořádku a dokonalému uspořádání částeček hmoty. Mohou na nás dělat dojem naprosté organizovanosti, na jejich počátku je ale pravý opak.

Na počátku perfekce je nedokonalost

Krystaly se ze všeho nejvíc blíží tomu, co nazýváme slovem perfekce. Paradoxně je ale k jejich vzniku potřeba nedokonalosti. Nejraději začínají narůstat kolem nepatrných zrníček příměsí nebo na vyčnívajících, ostrých hranách. Právě z nich se pak stávají centra, kolem kterých se začíná formovat fascinující útvar, kterému říkáme krystalická mřížka.

Pořádek a chudoba se nevylučují

Látka, která se zorganizovala do krystalické struktury, je energeticky chudší než látka v chaotickém a neuspořádaném stavu. Proto se při tvorbě krystalů v naprosté většině případů tato přebytečná energie uvolňuje.

Jistě všichni známe gelové polštářky, které se dají do teplé vody, aby látka, kterou jsou naplněné, roztála. V případě potřeby se v nich dá jednoduchým způsobem vyvolat krystalizace – mechanicky, kliknutím vloženého kovového článku. Látka (trihydrát octanu sodného) pak rychle zamrzá a utváří krystalickou strukturu, přitom se uvolňuje energie, aby zahřála vaše ruce v kapsách bundy.  

Krystaly mohou vznikat dvěma způsoby. Nejčastěji je to ochlazením systému. Ke vzniku krystalů může ale přispět i cizí medium – například voda, vzduch nebo roztavený kov. 

Obyčejné neobyčejné krystaly, formované chladem

Nejobyčejnější krystaly na světě jsou – krystaly vody. Voda pokrývá velkou část povrchu naší planety. Velké množství vody se nachází také v naší atmosféře. Při teplotě pod 0 °C začíná kapičky vody zamrzat – její molekuly se začínají formovat do neobyčejně různorodých krystalů. Všechny mají šestiboký tvar, ten je totiž daný úhlem, který spolu svírají oba atomy vodíku v molekule H2O. Konečná forma krystalů záleží na teplotě, při které se formují. Při hodně nízkých teplotách se vytváří šestiboké „penízky“.

Při vyšších teplotách, blízkých 0 °C se tvoří bohaté sněhové vločky, které mají šest výběžků a mohou se dále větvit nebo kombinovat.

Tekutá voda, která pokrývá povrch planety může zamrzat podobným způsobem. Také v tomto případě vzniká led,  který se skládá z šestihranných krystalů.

Hustota ledu je 0,918 g/cm3, je tedy lehčí než voda - plave na její hladině. I tento jev je způsoben vnitřní strukturou. V hexagonálních krystalech jsou atomy navzájem vzdálenější, než ve vodě, která je v kapalném stavu. Tato vlastnost je výjimečná, ostatní materiály mají v zamrzlém stavu vesměs vyšší hustotu než ve stavu kapalném.

Není led jako led

Voda se odlišuje od většiny ostatních látek také tím, že její pevná varianta, led, mění své vlastnosti podle okolního tlaku a teploty.

Momentálně známe 18 různých druhů ledových krystalů. Většina z nich není pro náš běžný život důležitá, své speciální vlastnosti ovšem ukazuje led v podmínkách, jaké panují v meziplanetárním prostoru sluneční soustavy, uvnitř velkých planet jako je Saturn nebo Jupiter, případně ve volném vesmíru. 

Krystaly ovlivněné žárem

Nejen chlad, ale i „oheň“ může stát u kolébky krystalu, i když princip vzniku zůstává stejný. Žár, který je schopen přispět k vytvoření krystalů, nacházíme v nitru Země. V tamních podmínkách se kámen taví a vytváří tekutou hmotu. Když láva (tedy roztavený kámen) vychládá, tvrdne. Bazaltová láva, která se dostane na zemský povrch, pak při vychládání může vytvořit dlouhé, převážně šestihrané útvary, které vypadají, jako by byly dílem člověka.

Krystaly z horkých záhadných hlubin

Ve větších hloubkách se v roztavené hornině formují velice zřídkavé a speciální druhy krystalů, kterým říkáme drahé kameny. Obrovské tlaky a teplota, která na ně působí v nitru Země, působí spolu s ionizujícím zářením na nepatrné příměsi v jejich krystalickým mřížkách – a barví je neobvyklými barvami.

Geologové dávno ví, že se v podzemí tvoří krystaly většinou v puklinách, naplněných vodou. Nedávno byl objeven nový proces, který probíhá daleko  hlouběji v zemském plášti. Ty největší a nejvzácnější diamanty se například formovaly za obrovských teplot a tlaků v bublinách tekutého kovu s příměsí uhlíku a v téměř trojnásobné hloubce než jejich menší kolegové.

Krystaly, kterým ke vzniku dopomohla voda nebo vzduch

V této variantě je potřeba silně nasycený roztok soli, rozpuštěné ve vodě. Pak už postačí ochlazení roztoku nebo vypaření části tekutiny – a z nasyceného roztoku se stane roztok s nadkritickou koncentrací. Na nerovnostech povrchu nebo cizorodých částečkách pak  mohou z tohoto roztoku růst krystaly s pravidelnou strukturou.

Na principu ochlazení zahřátého nasyceného roztoku funguje dnes rozšířená krystalizace soli z mořské vody.

Postupné odpařování nasyceného roztoku je pro změnu zodpovědné za růst krápníků v podzemních jeskyních.

Jistě nejznámějším a nejefektnějším důkazem krystalizace z vodního roztoku je jeskyně v mexické Naice. Během statisíců let v nich vyrostly obří selenitové krystaly, měřící až  14 metrů. Jsou to největší krystaly, jaké kdy byly na Zemi objeveny.  

Případy, kdy se na tvorbě krystalů podílí jiné medium, vzduch, jsou ojedinělé, ale o to efektnější.

Nejznámější jsou nejspíše krystaly síry, která kondenzuje z plynů, uvolňovaných vulkanickou činností. Ve středověku se tyto krystalky používaly například k výrobě střelného prachu.