Quarzo

Quarzo è tipicamente non tossico a meno che non sia in forma di polvere. L'esposizione a lungo termine alla polvere finemente macinata può portare alla silicosi. Pertanto, quando si taglia o si lucida quarzo, assicurarsi di indossare una maschera antipolvere per evitare di inalare la sua polvere.

Il quarzo puro, tradizionalmente chiamato cristallo di rocca o quarzo chiaro, è incolore e trasparente o traslucido ed è stato spesso utilizzato per le incisioni su pietra dura, come il cristallo di Lothair. Le varietà colorate comuni includono citrino, quarzo rosa, ametista, quarzo fumé, quarzo latteo e altri. Queste differenziazioni di colore derivano dalla presenza di impurità che modificano gli orbitali molecolari, provocando alcune transizioni elettroniche nello spettro visibile che provocano i colori. I polimorfi del quarzo includono: quarzo α (basso), quarzo β, tridimite, moganite, cristobalite, coesite e stishovite.

La distinzione più importante tra i tipi di quarzo è quella dei macrocristallini (singoli cristalli visibili ad occhio nudo) e delle varietà microcristalline o criptocristalline (aggregati di cristalli visibili solo ad alto ingrandimento). Le varietà criptocristalline sono traslucide o per lo più opache, mentre le varietà trasparenti tendono ad essere macrocristalline. Il calcedonio è una forma criptocristallina di silice costituita da fini ricrescite sia di quarzo che della sua moganite polimorfa monoclina. Altre varietà di pietre preziose opache di quarzo, o rocce miste compreso il quarzo, che spesso includono bande o motivi di colore contrastanti, sono l'agata, la corniola o la sarda, l'onice, l'eliotropio e il diaspro.

Quartz cristalli di quarzo hanno proprietà piezoelettriche; sviluppano un potenziale elettrico all'applicazione di sollecitazioni meccaniche. Un primo utilizzo di questa proprietà dei cristalli di quarzo era nei pickup fonografici.

Quartz è un costituente che definisce il granito e altre rocce ignee felsiche. È molto comune nelle rocce sedimentarie come l'arenaria e lo scisto. È un costituente comune di scisto, gneiss, quarzite e altre rocce metamorfiche. Il quarzo ha il più basso potenziale di alterazione degli agenti atmosferici nella serie di dissoluzione Goldich e di conseguenza è molto comune come minerale residuo nei sedimenti del flusso e nei terreni residui. Generalmente un'elevata presenza di quarzo suggerisce una roccia "matura", poiché indica che la roccia è stata pesantemente rielaborata e il quarzo era il minerale principale che ha resistito alle intemperie. Mentre la maggior parte del quarzo cristallizza dal magma fuso, il quarzo precipita anche chimicamente dalle vene idrotermali calde come ganga, a volte con minerali minerali come oro, argento e rame. Grandi cristalli di quarzo si trovano nelle pegmatiti magmatiche. Cristalli ben formati possono raggiungere diversi metri di lunghezza e pesare centinaia di chilogrammi. I cristalli di quarzo presenti in natura di purezza estremamente elevata, necessari per i crogioli e altre apparecchiature utilizzate per la coltivazione di wafer di silicio nell'industria dei semiconduttori, sono costosi e rari. Una delle principali località minerarie per il quarzo di elevata purezza è la miniera di gemme di pino e abete a abete rosso, Carolina del Nord, Stati Uniti. Il quarzo può anche essere trovato a Caldoveiro Peak, nelle Asturie, in Spagna. Il più grande cristallo singolo documentato di quarzo è stato trovato vicino a Itapore, Goiaz, Brasile; misurava circa 6,1 × 1,5 × 1,5 me pesava 39.916 chilogrammi.

Quartz appartiene al sistema cristallino trigonale. La forma ideale del cristallo è un prisma a sei facce che termina con piramidi a sei facce a ciascuna estremità. In natura i cristalli di quarzo sono spesso gemellati (con cristalli di quarzo gemelli destri e mancini), distorti o così intrecciati con cristalli adiacenti di quarzo o altri minerali da mostrare solo una parte di questa forma, o per mancare del tutto evidenti facce di cristallo e sembrano enormi. I cristalli ben formati si formano tipicamente in un "letto" che ha una crescita incontrollata nel vuoto; di solito i cristalli sono attaccati all'altra estremità a una matrice ed è presente solo una piramide di terminazione. Tuttavia, i cristalli doppiamente terminati si verificano dove si sviluppano liberamente senza attaccamento, ad esempio, all'interno del gesso. Un geode di quarzo è una situazione del genere in cui il vuoto è di forma approssimativamente sferica, rivestito da un letto di cristalli che punta verso l'interno. Il quarzo α cristallizza nel sistema cristallino trigonale, gruppo spaziale P3121 o P3221 a seconda della chiralità. Il β-quarzo appartiene al sistema esagonale, rispettivamente al gruppo spaziale P6222 e P6422. Questi gruppi spaziali sono veramente chirali (ognuno appartiene alle 11 coppie enantiomorfe). Sia il quarzo α che il quarzo β sono esempi di strutture cristalline chirali composte da elementi costitutivi achirali (tetraedri SiO4 nel presente caso). La trasformazione tra quarzo α e β comporta solo una rotazione relativamente minore dei tetraedri l'uno rispetto all'altro, senza un cambiamento nel modo in cui sono collegati.

Uno degli usi piezoelettrici più comuni del quarzo oggi è come oscillatore a cristallo. L'orologio al quarzo è un dispositivo familiare che utilizza il minerale. La frequenza di risonanza di un oscillatore a cristalli di quarzo viene modificata caricandolo meccanicamente e questo principio viene utilizzato per misurazioni molto accurate di variazioni di massa molto piccole nella microbilancia del cristallo di quarzo e nei monitor di spessore a film sottile.

Quarzo è considerato la pietra natale per coloro che sono nati in aprile, ed è l'emblema dello stato dell'Arkansas dal 1967. Tradizionalmente, i giapponesi affermavano che quarzo significasse purezza e spazio infinito, mentre le antiche culture del Nord America e della Birmania consideravano questa pietra un essere vivente, eseguendo rituali per essa e fornendole cibo.

La parola "quarzo" proviene dal tedesco Quarz, che è di origine slava (i minatori cechi lo chiamavano křemen). Altre fonti attribuiscono l'origine della parola al termine sassone Querkluftertz, che significa minerale di vena trasversale. Il quarzo è il materiale più comune identificato come la sostanza mistica maban nella mitologia aborigena australiana. Si trova regolarmente nei cimiteri di tombe a corridoio in Europa in un contesto funerario, come a Newgrange o Carrowmore in Irlanda. La parola irlandese per quarzo è grianchloch, che significa 'pietra del sole'. Il quarzo era utilizzato anche nella Preistoria in Irlanda, così come in molti altri paesi, per utensili litici; sia il quarzo di vena che il cristallo di roccia venivano scheggiati come parte della tecnologia litica dei popoli preistorici. Mentre la giada è stata fin dai tempi più antichi la pietra semipreziosa più apprezzata per l'intaglio in Asia Orientale e America Precolombiana, in Europa e Medio Oriente le diverse varietà di quarzo erano le più comunemente utilizzate per i vari tipi di gioielli e intagli in pietra dura, comprese gemme incise e cammei, vasi di cristallo di rocca e vasi stravaganti. La tradizione continuava a produrre oggetti di gran valore fino a metà del XIX secolo, quando cadde di moda tranne che nei gioielli. La tecnica del cammeo sfrutta le bande di colore nell'onice e in altre varietà. Il naturalista romano Plinio il Vecchio credeva che il quarzo fosse ghiaccio d'acqua, permanentemente congelato dopo lunghi periodi di tempo. (La parola "cristallo" deriva dal greco κρύσταλλος, "ghiaccio"). Supportava questa idea dicendo che il quarzo si trova vicino ai ghiacciai nelle Alpi, ma non sui monti vulcanici, e che i grandi cristalli di quarzo venivano modellati in sfere per raffreddare le mani. Questa idea persisteva almeno fino al XVII secolo. Conosceva anche la capacità del quarzo di dividere la luce in uno spettro. Nel XVII secolo, lo studio del quarzo di Nicolas Steno aprì la strada alla cristallografia moderna. Scoprì che indipendentemente dalla dimensione o forma di un cristallo di quarzo, le facce prismatiche lunghe si uniscono sempre ad un angolo di 60° perfetto. Le proprietà piezoelettriche del quarzo furono scoperte da Jacques e Pierre Curie nel 1880. L'oscillatore di quarzo o risonatore fu sviluppato per la prima volta da Walter Guyton Cady nel 1921. George Washington Pierce progettò e brevettò gli oscillatori a cristallo di quarzo nel 1923. Warren Marrison creò il primo orologio a oscillatore di quarzo basato sul lavoro di Cady e Pierce nel 1927. Gli sforzi per sintetizzare il quarzo iniziarono a metà del XIX secolo, quando gli scienziati tentarono di creare minerali in condizioni di laboratorio che imitassero quelle in cui i minerali si formavano in natura: il geologo tedesco Karl Emil von Schafhäutl (1803–1890) fu la prima persona a sintetizzare il quarzo quando nel 1845 creò microscopici cristalli di quarzo in una pentola a pressione. Tuttavia, la qualità e la dimensione dei cristalli prodotti da questi primi sforzi erano scarse. Negli anni '30, l'industria elettronica dipendeva dai cristalli di quarzo. L'unica fonte di cristalli idonei era il Brasile; tuttavia, la Seconda Guerra Mondiale interruppe le forniture dal Brasile, così le nazioni tentarono di sintetizzare il quarzo su scala commerciale. Il mineralogista tedesco Richard Nacken (1884–1971) ottenne alcuni successi durante gli anni '30 e '40. Dopo la guerra, molti laboratori tentarono di crescere grandi cristalli di quarzo. Negli Stati Uniti, il Signal Corps dell'Armata finì presso i laboratori Bell e presso la Brush Development Company di Cleveland, Ohio, per sintetizzare cristalli seguendo la guida di Nacken. (Prima della Seconda Guerra Mondiale, Brush Development produceva cristalli piezoelettrici per giradischi.) Nel 1948, Brush Development aveva cresciuto cristalli fino a 1,5 pollici (3,8 cm) di diametro, il più grande fino ad oggi. Negli anni '50, le tecniche di sintesi idrotermale producevano cristalli di quarzo sintetici su scala industriale, e oggi praticamente tutti i cristalli di quarzo utilizzati nell'industria elettronica moderna sono sintetici.

Il quarzo è un costituente comune delle rocce magmatiche intrusive acide, dette in passato rocce sialiche, tra cui la più conosciuta è il granito; è abbondante anche come componente delle rocce sedimentarie, preferibilmente nelle arenarie a causa della sua elevata resistenza alla degradazione chimica da parte degli agenti atmosferici e della sua insolubilità all'acqua e nelle rocce metamorfiche.

La parola "quarzo" deriva dalla parola tedesca "Quarz", che nella prima metà del XIV secolo aveva la stessa forma in medio alto tedesco e in tedesco centro-orientale e che derivava dal termine dialettale polacco kwardy, che corrisponde a il termine ceco tvrdý ("duro"). Gli antichi greci si riferivano al quarzo come κρύσταλλος (krustallos) derivato dal greco antico κρύος (kruos) che significa "freddo gelido", perché alcuni filosofi (incluso Teofrasto) apparentemente credevano che il minerale fosse una forma di ghiaccio super raffreddato. Oggi, il termine cristallo di rocca viene talvolta utilizzato come nome alternativo per la forma più pura di quarzo.