1. 개요
결정구조의 연구는 광물학자만의 유일한 관심사였다. 그러나 고체의 성질을 이해하는데 있어서 그 뛰어난 중요성은 모든 분야의 과학자들이 공통적으로 인식하고 있었다.
20세기 초에 막스 폰 라우에(Max Von Laue)가 최초로 X선 회절을 이용해서 결정의 성질을 연구한 결과, 이러한 연구에 의해서 많은 문제가 해결된 사실이 과학자들의 눈을 뜨게 했다. 사실 결정으로 시작된 연구는 즉시 원자 연구를 진전시켜 원자 에너지를 포함하는 많은 새로운 분야를 개발했다.
보석에 대한 지식의 실용성과 관련하여 결정의 성질을 간단하게나마 연구하는 것은 매우 중요하다. 결정에 대한 연구를 통하여 보석에 대한 내구성과 아름다움을 주는 중요한 특성 및 구조 사이에 존재하는 직접적인 연관성을 발견할 수 있다. 더우기, 이런 성질에 대한 고려는 컷팅할 때 매우 중요하며, 보석재료의 감별에 절대적인 요소인 것이다. 보석이 형성되어지는 결정형태는 최대의 중량 보존율과 함께 최고의 아름다움을 갖출 수 있도록 연마하지 않으면 안되는 스타일을 결정하는 것이다. 때문에 커터(Cutter)는 한 봉지 원석의 값을 현명하게 매기고, 어느 정도의 중량 보존율이 될 것인가를 가늠하기 위해서 결정을 알고 있지 않으면 안된다. 또한 그 원석이 산출해 낼 수 있는 최고의 아름다움을 얻어내면서, 그것을 최대한 이용하도록 커트하기 위해 돌의 성질도 충분히 파악하고 있어야만 한다. 이러한 측정을 위해서 커터는 결정뿐만 아니라 보석의 결정구조에 관한 전반적인 지식도 겸해야만 한다. 여러가지 유색석을 연구함으로써 원석의 결정 형태나 방향에 따른 색의 확실한 차이를 알고, 루비, 에메랄드 또는 알렉산드라이트와 같은 보석을 결정 방향과 특수한 관계를 갖도록 연마하지 않으면 안된다. 이와같이 하지 않으며 아름다움과 가치의 손실이 크게 된다. 불행하게도 보석업계에서는 잘못 커트(Cut)되어 케럿(Carat)당 가격이 낮아지는 보석이 많다. 유능한 보석연구가는 이러한 실수를 종종 교정하고 적절하게 재커트 함으로써 보석의 가치를 향상시킬 수 있다.
2. 결정(結晶)의 형성
우리 주변의 모든 물질, 즉 땅, 바다, 공중의 모든 물질은 92종의 원소 중에서 한 종류 혹은 그 이상의 원자로 구성되어 있다. 지각 암석의 74% 이상이 산소와 규소의 원소로 되어 있다고 생각되기 때문에 이 92종의 원소 중 우리가 보통 대할 수 있는 원소는 아주 적다. 우리가 알고 있듯이 오직 8가지 원소가 지각의 1%정도를 차지하고 있을 뿐이다. 산소, 규소, 알루미늄, 철, 마그네슘, 칼슘, 소디움, 포타지움등이 바로 그것이다.
구리, 납, 아연과 같은 흔하게 볼 수 있는 금속들은 지각의 1% 중 16/1000정도에 지나지 않는다. 그리고 화학적으로 불활성(不活性)인 소위 말하는 귀중한 가스류(아르곤, 네온, 크립톤)을 제외한 모든 원소들은 정도차가 있으나 다른 원소들과 친화성을 가지고 있다.
화합물이 용해되어 용액으로 변할 때 이들 성분이 이온화(ionization)된다고 말한다. 이때 (+), (-) 혹은 일군(一群)의 원소로 만들어져 있으며, 전하도 단 한 두개 또는 그 이상이 된다. 만일 반대 전하를 띈 이온과 만나 매우 용해되기 어렵게 형성된다면 즉시 침전하게 된다. 뜨거운 용액이나 용암이 냉각될 때처럼 광물의 성분으로부터 형성될 수 있는 광물은 보통 가장 용해되기 어려운 것부터 용해 되기 쉬운 순서로 침전된다.
이온의 전하는 방향성의 특성을 가지기 때문에 형태를 갖추기 시작한 물질을 이루는 원자는 구조내에 규칙적인 위치를 차지하게 된다. 용융된 암장은 수용액과 같은 활동을 하기 때문에, 냉각되어가는 암장내에서 똑같은 상황으로 결정성장도 함께 이루어지게 된다. 따라서 암장이 서서히 냉각될 때나 액체가 증발할 때 그것을 구성하고 있는 원자가 일정한 패턴으로 배열되어 결정(Crystal), 혹은 결정물질(Crystal Material)이라고 알려진 고체를 형성한다. 예를들면 공기중의 수증기가 빙점까지 냉각되면 그것의 원자가 규칙적인 패턴을 이루어 우리가 유리창에서 볼 수 있는 얼음의 결정으로 형성된다. 공기중의 수증기를 구성하고 있는 원자는 우리가 눈송이라고 알고 있는 매우 다양한 6변형의 형태로 배열된다. 해변의 소금은 바닷물이 증발해서 결정된 것이다. 그렇지만 용해된 유리를 급하게 식혀서 고체형성을 서두르면 원자는 규칙적인 배열을 할 시간이 없게되고, 결과적으로는 비정질 구조로 되어버린다.
어떤 원소의 원자와 다른 원소의 원자가 가끔 서로 어울려 성장과정을 이루는 수도 있는데 물론 식물이나 동물의 성장과같은 의미는 아니다. 결정성장은 자성에 의해 붙은 미세한 쇠붙이가 모여서 크게 되는 것과 비슷하다. 좀더 설명한다면 같은 원자가 한겹 또 한겹으로 중심에서 부터 외부로 향하여 일정한 기하학적 형태를 이루어 나가는 것이라고 할 수 있다. 이런 성장이 결정행태를 이룬 결과로 그 표면은 매우 대칭적이며 대단히 매끄럽고, 높은 반사성을 갖게 되어 경험이 없는 사람은 인공적으로 만든 것이 아닌가 의심할 정도이다. 결정은 무기물로 생명이 없음에도 불구하고 각각 성장 특성을 갖고 있다고 생각되어지기 때문에 , 자연계에서는 가장 흥미있는 연구대상 중의 하나이다. 각각의 결정은 그것을 형성하는 같은 종류의 물질을 끌어당기고, 특정한 위치에 놀랄만큼 정확히 배열시켜 그 장소에 고정시킨다.
자연계에서 형성되어지는 거의 모든 화합물은 그것이 쌓임에 따라서 결정구조를 갖는다. 유리나 오팔과 같이 일정한 내부구조가 없는 자연계의 무기물들은 희소한 편이고, 그들은 정상이 아니라 예외하고 할 수 있다.
다이아몬드 <그림1>과 형석 <그림2>의 공간격자 그림으로부터 결정구조 혹은 규칙적인 내부배열의 의미를 보다 확실히 이해할 수 있을 것이다.
이것을 공간격자(空間格子,Space Lattice)라고 부르는 이유는 유니트 셀(Unit Cell:특징적인 기하학적 성질과 구성물의 모든 것을 나타내는 격자의 최소단위)내에 원자의 3차원적인 입체적 배열을 나타내기 때문이다. 이 그림의 조그만 입자는 수백만배로 확대되었다고 상상하여야 하며 실제로는 서로 밀접해 있지 않다. 그림중의 원자를 연결하는 선은 상상에 의한 것이고 원자에 의해 이루어진 패턴을 가르키는 것에 지나지 않는다.
한개의 광물은 수십억의 유사한 부분이 모여서 이루어진 것이라고 생각하여야한다.
이상의 간단한 설명으로 일반적인 결정구조가 의미하는 바를 시각적으로 상상할 수 있을 것이다. 공간격자는 거의 이론적일 뿐만 아니라 대부분 광물의 내부 배열을 밝힌 라우에(Laue)형의 X선 회절에 근거를 두고 있다.
클리비지(Clevage), 경도(Hardness), 견인성(Toughness)과 같은 광물의 물리적 성질은 내부구조에 달려 있다. 이러한 성질은 내부입자의 배열이 다름에 따라 변한다.
3. 결정의 외부형태
결정의 외부형태는 규칙적인 내부구조가 만약 다른 고체에 의해 방해되지 않았다면 평면이나 면(Facet)에 의해 둘러쌓인 일정한 기하학적인 형태를 의미한다. 이들 결정형태는 그 물질을 구성하고 있는 입자의 내부배열을 반영하고 있다.
일저한 기하학적 형태를 이루고 있는 결정성 물질을 결정(Crystal)이라고 말한다. 이러한 결정 등은 길이에 있어서 매우 작은 입자에서부터 몇 피트(Feet)까지 다양하다.
미정질(Crystalline aggregate)은 상당히 작으므로 고배율 현미경에 의해서만이 결정이 보여지는 경우가 있다. 한편, 베릴(Beryl) 결정들로는 1톤 이상 나가는 것도 있고, 스포듀민(Spodumene) 결정으로서 37톤 정도의 무게와 길이에 있어서 47피트(14m)정도가 되는 것도 있다. 물론 이 돌들은 보석용 품질은 아니다.
4. 원자면과 결정면
모든 결정성 물지은 원자의 층이나 면(Planes)이 규칙적으로 쌓여서 점차적으로 성장하거나 확대되는데 물론 그 간견은 각 물질에 따라 다르다. 이러한 원자면에 따라서 각층의 원자가 일정한 형태로 배열될 때 원자면에 따른 결정면이 서로 관련이 있다고 생각하면 결정성장과 결정형태를 이해하기 쉬울 것이다.
각각의 광물은 그 자체로서 특징적인 양식(Pattern)을 갖고 있으며 특징적인 외부형태나 결정모양을 만든다. 때때로 같은 화학성분을 가진 물질이 다른 원자배열이나 양식(Pattern)을 갖기도 한다. 이런 경우에는 각각의 광물로 분류되고 다른 광물이 되는 것이다. 예를들면 다이아몬드와 흑연은 모두 탄소(Carbon)으로 구성되어 있지만 그들의 특성은 결정구조에 차이가 있으므로 놀랄 정도로 다르다.
5. 결정 혹은 결정석 광물
때때로 결정구조는 눈으로 인식할 정도의 일정한 기하학적 외형을 갖지 않는 경우도 있다. 내부 결정구조는 갖고 있다 할지라도 이런 물질은 육안으로는 일정한 형이 없는 덩어리로 밖에 보이지 않아서 덩어리상(Massive Form)의 결정성 물질로 불리워진다. 이것은 주로 광물이 성장하는 위치가 성장을 계속하는 다른 결정들에 의해 제약받을 때 생기게 된다.
6. 결정성 물질의 외관
결정성 물질은 자연에서 여러 다른형태로 생겨나므로 육안으로 보이는 그 물질들의 외관에 근거해서 각각 다른 용어를 사용하여 설명하는 것이 바람직하다.
1) 결정(Crystal)
결정은 하나의 결정구조를 작고 천연의 면(표면)에 의해서 전체 혹은 부분적으로 덮혀 있다.
2) 쌍정(Twin Crystal)
때때로 두 결정 혹은 같은 결정의 두 부분이 같은 축이나 같은 면을 따라서 함께 만나 결정을 이룬 것. 이러한 형성을 쌍정( Twin Crystal)이라고 한다.
3) 결정 응집체 혹은 결정군(Crystal aggregate or Group)
많은 결정들이 때로는 함께 성장한다. 군(group)속에 각각의 결정은 매우 커서 용이하게 보인다. 이렇게 함께 성장한 결정의 군을 결정 응집체(Crystal aggregate) 혹은 결정군(Crystal group)이라고한다.
4) 미정질(微晶質, Crystalline aggregates)
미정질은 매우 작고 많은 각각의 결정들로 구성되어 있으며 너무 작아서 육안으로는 보이지 않는다. 금이나 은 같은 금속들은 합금하거나 장식용으로 만들거나, 늘인다 할지라도 원래의 모습은 미정질이다.
5) 잠정질(潛晶質, Cryptocrystalline aggregates)
잠정질은 고배율의 현미경으로 발견할 수 없는 매우 미세한 결정의 응집체들이다. 편광이 주는 영향에 의해서 그 존재를 알 수 있다. 아게이트(agate), 카넬리안(carnelian)과 그 밖의 칼세도니(chalcedony)변종이 그 예이다.
7. 비뚤어 졌거나 변형된 결정과 가정질(假晶質, Pseudomorph)
1) 비뚤어진 결정(Distorted Crystal)
이것들은 각면이 같으나 완전히 발달하지 못했기 때문에 완전한 형에 가깝지만 다소 일그러진 것이다. 아마 면들이 그것을 형성하는 원자를 옮기는 용액의 공급원과의 관계 때문에 비뚤어지게 성장했을 것이다. 대부분의 결정들이 그렇듯이 성장공간이 제한되면 어느 면 또는 측면이 다른 것보다 빠르게 성장하는 것이 있다. 이러한 결정은 잡아 늘인다든지 짧게 된다든지 평평하게 되나 면 사이의 각도는 일정하다. (면각일정의 법칙)
2) 변형된 결정(Deformed Crystal)
이 결정들은 보통 후에 생기는 변형력에 의해서 정상적인 형태를 벗어나서 모양이 구부러지거나 꼬인다. 따라서 면과 면 사이의 대응각도가 크게 달라질 수 있다.
3)가정질(Pseudomorph)-Pseudo는 false를 의미하고 morph는 form을 의미한다
어느 결정의 화학성분 혹은 구조가 본래의 면을 변형하거나 부서뜨리는 일이 없으면서 본래의 성장이 끝난 후, 결정면은 불변이나 그 내부구조는 아주 다른 광물의 결정이 되는 수가 있다.
이 결과로 생긴 결정은 가정질(假晶質)로 알려져 있다. 호안석(Tiger's Eye)이 그 좋은 예이다. 이 광물은 크로시돌라이트(Crocidolite)의 단사정계 결정 또는 블루 아스베스토스(Blue asbestos)를 포함하고 있는 원래의 섬유(Fiber)가 석영의 미세한 입자로 대치되어 있는 것으로서 형태로는 크로시돌라이트(Crocidolite)의 본래의 외형을 가지나 석영의 내부 결정구조를 갖고 있다.
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