洞窟の中で結晶はどのように形成されますか？

結晶は、顕微鏡でしか見えない結晶から、特殊な条件で数千年にわたって形成されたそびえ立つ巨大な結晶まで、さまざまな形やサイズで成長する可能性があります。 結晶は複雑な一連の段階を経て発達し、核の周りで発達し、物質を集め、結晶を助長する環境に長く置かれるほど大きく成長します。

すべての結晶は、「核形成」と「結晶成長」と呼ばれる2つのプロセスの結果として、「過飽和」液体溶液（何かが溶解した液体）で形成されます。 たとえば、塩）。 これは、洞窟が10万年以上もの間、これらの液体溶液の1つで溢れている場合に発生します。 最初のステップである核形成は、溶液中に浮かんでいる分子のグループが安定したクラスターにくっつき始めたときに発生します。 分子のクラスターが安定するかどうかは、温度や「過飽和」であるかどうかなど、溶液内の多くの要因に依存します。

過飽和は、溶液に溶解できる量よりも多くの溶解物質が含まれている場合に発生します。 たとえば、砂糖を一杯のコーヒーに入れてかき混ぜ続けると、液体は最終的に「飽和」し、それ以上砂糖を溶かすことができなくなります。 粒子がコーヒーに浮かび、溶解できなくなるまで砂糖をさらに追加すると、過飽和が発生します。

核形成中に分子がくっつく方法は、結晶の最終的な形状を定義する上で役割を果たします。 結晶成長は、溶液中の安定したクラスターが臨界サイズ（崩壊せずに成長を続けるために結晶分子が到達しなければならない最小寸法）に達したときに発生します。 結晶成長が臨界サイズを超えて発達し、過飽和によって駆動されると、核形成は継続し、追加の分子を提供して、駆け出しの結晶の核に付着します。 溶液内の条件によっては、核形成または結晶成長が他よりも優勢であり、異なるサイズの結晶が生じる場合があります。 結晶成長または核形成は、過飽和が終了するか、洞窟が完全に乾くまで続きます。

多くの異なるタイプのソリューションには、異なるタイプの結晶を生成する能力があります。 たとえば、塩の結晶は、塩を水に溶かして乾燥させると発生しますが、溶液に溶けている他の物質にも結晶を形成する能力があります。 ガリウムと岩塩は、結晶化することが知られている他の材料です。

沸騰したお湯に過飽和になるまで塩を加えることで、ご家庭で簡単に塩の結晶を作ることができます。 段ボールを使用して、結晶の形成を助けます。 それは、塩分子に核形成する場所を提供することによってそうします。 段ボールと一緒に過飽和塩溶液を、乾くまで太陽の下に置きます。 これにより、小さな結晶が形成されます。