Cristallo

In mineralogia e cristallografia, si definisce cristallo la struttura atomica o molecolare che la materia allo stato solido presenta, chimicamente e fisicamente omogenea. In altre parole atomi, molecole o ioni hanno una disposizione geometrica tridimensionale regolare, detta reticolo cristallino o reticolo di Bravais.

La disposizione regolare della struttura tridimensionale è caratteristica del tipo di materiale, di conseguenza anche le relative proprietà delle sostanze cristalline dipendono dalla loro particolare struttura intima e non dalla forma poliedrica che esse assumono.

Abito cristallino

Si definisce abito cristallino il tipico aspetto dei cristalli determinato dallo sviluppo relativo delle facce e dalla prevalenza di una o più forme geometriche semplici caratteristiche.

Le principali condizioni che possono influenzare la crescita sono:

  • temperatura;
  • pressione;
  • durata dell’accrescimento;
  • composizione chimica;
  • spazio a disposizione per la crescita.

In base a queste condizioni, il cristallo può essere:

  • euedrale: cristallo completamente delimitato da facce, la cui crescita non è limitata o disturbata da cristalli o granuli;
  • subedrale: una via di mezzo fra euedrale e anedrale, sono presenti alcune facce cristalline;
  • anedrale: minerale privo di facce cristalline, e può mostrare superfici arrotondate o irregolari prodotte dal reciproco disturbo tra minerali adiacenti la cristallizzazione; è il frutto di un accrescimento “disturbato”, turbato da fattori esterni che influenzano la sua struttura cristallina.

Conoscere l’abito caratteristico di un cristallo, in cristallografia e mineralogia, può essere di aiuto sia per la sua identificazione per l’indicazione della specie mineralogica di appartenenza, che delle condizioni che si sono presentate durante la genesi di formazione dello stesso.

Tipologie di abito cristallino

Alcuni esempi di abiti cristallini più noti sono:

  • a bande: strutture di crescita tipiche delle agate;
  • aciculare: aggregato aghiforme con cristalli lunghi e sottili (natrolite, rutilo);
  • amigdaloidale: abito a forma di mandorla (heulandite, zircone, subedrale);
  • botrioidale o globulare: abito a forma di grappolo d’uva, masse emisferiche (ematite, pirite, malachite, smithsonite, emimorfite, adamite, variscite);
  • colonnare: aggregato con cristalli singoli sottili e lunghi cresciuti parallelamente (calcite, gesso/selenite);
  • cresta di gallo: cristalli tubulari ravvicinati (barite, marcasite)
  • cubico: cristalli di forma cubica (pirite, galena, halite);
  • dendritico: abito con struttura ramificata, arborescente a partire da un punto centrale (pirolusite, magnesite, rame nativo);
  • dodecaedrico: cristalli con geometria simile a quella di un dodecaedro (12 facce – granato);
  • drusa: aggregato con cristalli prismatici a punta che rivestono una superficie o una cavità (uvarovite, malachite, azzurrite);
  • emimorfico: cristalli terminati con due forme geometriche diverse alle estremità (emimorfite, elbaite);
  • enantiomorfico: aspetto simmetrico (quarzo, plagioclasio, staurolite);
  • equidimensionale: lunghezza, altezza e larghezza pressocché uguali (olivina, granato);
  • esagonale: a forma di esagono (6 facce – quarzo, hanksite);
  • fibroso/asbestoso: cristalli molto sottili e filiformi (serpentino, tremolite);
  • filiforme o capillare: a forma di capello o filo, estremamente sottile (zeolite);
  • foliato o micaceo: abito con piccoli cristalli piatti e sottili (mica, muscovite, biotite);
  • granulare: aggregati di cristalli anedrali in matrice (bornite, scheelite);
  • geode: aggregato chiuso, con cristalli prismatici a punta, tipico di ametista e citrino;
  • geminato: quando due cristalli condividono una parte del loro reticolo cristallino, il cristallo prende il nome di geminato;
  • lamellare: piccoli cristalli simili a piccole lame, sottili e piatti (actinolite, cianite);
  • mammellonare: abito a forma di mammella: la superficie è formata dall’intersezione di forme parzialmente sferiche, più ampie che in quello botrioidale, anche in aggregati concentrici (malachite, ematite);
  • massivo o compatto: abito con forma massiccia non definita, privo di superfici piane (limonite, turchese, cinabro, realgar);
  • nodulare o tuberoso: abito di forma grossolanamente sferica con protuberanze irregolari (calcedonio, geodi);
  • ottaedrico: a forma di ottaedro (8 facce – due piramidi unite alla base – diamante, magnetite);
  • piatto: piatto e sottile, a forma di tavoletta, più largo di quello lamellare e più sottile di quello tabulare (wulfenite);
  • piumoso: a forma di piccole piume (auricalcite, boulangerite, mottramite);
  • prismatico: cristallo ben definito, con aspetto simile ad un prisma (tormalina, berillo). Qualora il cristallo presenti doppia terminazione, viene definito biterminato;
  • pseudoesagonale: aspetto simile a quello esagonale dovuto alla germinazione ciclica (aragonite, crisoberillo);
  • raggiato o radiale o divergente: abito in cui i cristalli si irraggiano da un punto centrale senza formare forme stellari (stibnite);
  • rosetta o lenticolare: aggregato di numerosi cristalli appiattiti, simili a petali di rosa;
  • reniforme o colloforme: similare a botrioidale/mammellonare con intersezione di masse a forma di rene (ematite, pirolusite, greenockite);
  • reticolato: abito tipico di cristalli cresciuti formando una rete (cerussite);
  • rosetta o lenticolare: abito aggregato di lamelle a forma di rosa (gesso, barite, rosa del deserto);
  • sfenoidale: abito cristallino a forma di cuneo (titanite);
  • stalattitico: forma stalattiti o stalagmiti a forma cilindrica o conica (calcite, goethite);
  • stellato: abito a forma di stella – aggregati di cristalli che si irradiano da un punto comune formando sfere o semisfere (wavellite, zeofillite);
  • striato: non è un abito cristallino di per sé, ma un insieme di linee che possono crescere su determinate facce di certi minerali (tormalina, pirite, quarzo, feldspato sfalerite);
  • tabulare: cristallo prismatico molto appiattito (feldspato, topazio);
  • tetraedrico: abito cristallino a forma di tetraedro (tetraedrite, spinello, magnetite);
  • covone di grano: abito di aggregati somiglianti ai covoni di grano (stilbite);
  • tramoggia: abito analogo al cubico ma la parte esterna dei cubi è cresciuta più velocemente che quella più interna creando una concavità (halite, calcite).

Cristallo di tempo

I cristalli di tempo sono cristalli la cui struttura atomica si ripete ciclicamente nel tempo oltre che nello spazio. La scoperta dell’esistenza dei cristalli del tempo si deve al fisico e premio Nobel Frank Wilczek, del Massachusetts Institute of Technology, che l’aveva ipotizzata nel 2012. Le sue idee sono state poi verificate dal professor Andrew Potter dell’Università del Texas ad Austin e dal suo collega Norman Yao dell’Università di Berkeley e comprovate dal team di Chris Monroe, fisico dell’Università del Maryland a College Park.

Nel cristallo di tempo gli atomi ruotano costantemente, tornando alla loro posizione originale nonostante si trovino nel loro stato energetico più basso. Generalmente si ritiene che raggiunto questo stato i movimenti della materia siano impossibili, perché il moto richiederebbe energia, la quale invece si assesta a livello zero.

I cristalli di tempo sono stati originati a partire da una molecola di itterbio, appartenente alla famiglia dei metalli. Gli ioni di itterbio, colpiti con due fasci laser e portati in uno stato di instabilità, sono entrati in una sorta di oscillazione periodica, trasformandosi così nei cristalli di tempo. La periodicità in quest’ultimi fa sì che gli stessi funzionino come degli orologi naturali.

Per questa ragione potrebbero essere sfruttati nella fisica quantistica: i computer potrebbero sfruttare gli stati rotazionali dei cristalli, che diverrebbero l’equivalente degli 0 e degli 1 utilizzati dai computer tradizionali. Potranno, un giorno, trovare dunque un impiego, così come i cristalli hanno portato alla creazione di nuovi materiali utilizzati nell’ingegneria acustica perché capaci di controllare le vibrazioni acustiche e luminose.

Cristallo fotonico

In ottica ed in microfotonica per cristallo fotonico si intende una nanostruttura della materia in cui l’indice di rifrazione ha una modulazione (variazione) periodica dell’indice di rifrazione in una, due o tre dimensioni nello spazio, su scale comparabili con la lunghezza d’onda della luce o, più in generale, di una radiazione elettromagnetica.

Questa modulazione periodica dell’indice può essere ottenuta alternando, in una o più dimensioni, materiali diversi o lo stesso, ma con diversa porosità e quindi diverso indice di rifrazione. Ciò dà ai cristalli fotonici proprietà ottiche analoghe alle proprietà di conduzione elettrica dei cristalli. In particolare i cristalli fotonici possono presentare una banda proibita per la luce analoga a quella dei semiconduttori.

In base alla periodicità della costante dielettrica si possono classificare i cristalli fotonici come: monodimensionali (1-D), bidimensionali (2-D) e tridimensionali (3-D).

I cristalli fotonici mostrano un comportamento con bandgap fotonico completo se c’è un intervallo di frequenze (energie fotoniche), cioè una stop-band, in cui la propagazione dell’onda elettromagnetica è la propagazione dell’onda elettromagnetica è fortemente inibita fortemente inibita, indipendentemente dalla direzione della propagazione o dalla polarizzazione considerata.

Tipicamente per ottenere questo è richiesto un contrasto dell’indice di rifrazione pari a ~2:1 o più.

I cristalli fotonici possono essere chiamati microstrutture microstrutture (nanostrutture) fotoniche fotoniche quando essi sono fabbricati con processi litografici e di etching.

Applicazioni e dispositivi

I dispositivi a bandgap fotonico possono essere usati nelle comunicazioni ottiche, nei display, nei sensori e nei rivelatori.

Laser, LED, fotoricevitori, dispositivi per WDM multiplexing e demultiplexing, circuiti optoelettronici integrati (OEIC) e circuiti fotonici integrati (PIC), dispositivi per la compressione dell’impulso e per il ritardo variabile.

L’uso dei cristalli fotonici consente il miglioramento di alcune prestazioni: ridotta corrente (densità) di soglia, ridotte dimensioni del dispositivo (compattezza), aumentate non linearità, eccetera.

Bibliografia

  1. Abito cristallino. Wikipedia. https://it.wikipedia.org/wiki/Abito_cristallino