Rom byggdes inte på en dag, men några av jordens finaste ädelstenar var, enligt ny forskning från Rice University.

Akvamarin, smaragd, granat, zirkon och topas är bara några av de kristallina mineraler som finns mestadels i pegmatiter, venliknande formationer som vanligtvis innehåller både stora kristaller och svåra att hitta element som tantal och niob. Ett annat vanligt fynd är litium, en viktig komponent i elbilsbatterier.

"Detta är ett steg mot att förstå hur jorden koncentrerar litium på vissa platser och mineraler, " sa Rice doktorand Patrick Phelps, medförfattare till en studie publicerad online i Naturkommunikation . "Om vi ​​kan förstå grunderna för tillväxthastigheter för pegmatit, det är ett steg i riktning mot att förstå hela bilden av hur och var de bildas."

Pegmatiter bildas när stigande magma svalnar inuti jorden, och de har några av jordens största kristaller. Etta-gruvan i South Dakota, till exempel, har stockstora kristaller av litiumrik spodumen, inklusive en 42 fot lång och väger uppskattningsvis 37 ton. Forskningen av Phelps, Rice's Cin-Ty Lee och södra Kalifornien geolog Douglas Morton försöker svara på en fråga som länge har irriterat mineraloger:Hur kan så stora kristaller finnas i pegmatiter?

"I magmatiska mineraler, kristallstorlek är traditionellt kopplad till kylningstid, sa Lee, Rice's Harry Carothers Wiess professor i geologi och ordförande för Department of Earth, Miljö- och planetvetenskap på Rice. "Tanken är att stora kristaller tar tid att växa."

Magma som kyls snabbt, som sten i utbrutna lavor, innehåller mikroskopiska kristaller, till exempel. Men samma magma, om den kyls under tiotusentals år, kan ha centimeterstora kristaller, sa Lee.

"Pegmatiter svalnar relativt snabbt, ibland på bara några år, och ändå har de några av de största kristallerna på jorden, " sa han. "Den stora frågan är verkligen, 'Hur kan det vara?'"

När Phelps började forskningen, hans mest omedelbara frågor handlade om hur man formulerade en uppsättning mått som skulle tillåta honom, Lee och Morton för att svara på den stora frågan.

"Det var mer en fråga om "Kan vi ta reda på hur snabbt de faktiskt växer?"" sa Phelps. "Kan vi använda spårämnen - element som inte hör hemma i kvartskristaller - för att räkna ut tillväxthastigheten?"

Det tog mer än tre år, en studieresa för att samla provkristaller från en pegmatitgruva i södra Kalifornien, hundratals labbmätningar för att exakt kartlägga den kemiska sammansättningen av proverna och en djupdykning i några 50-åriga materialvetenskapliga papper för att skapa en matematisk modell som kan omvandla de kemiska profilerna till kristalltillväxthastigheter.

"Vi undersökte kristaller som var en halv tum breda och över en tum långa, " sade Phelps. "Vi visade att de växte på några timmar, och det finns inget som tyder på att fysiken skulle vara annorlunda i större kristaller som mäter en meter eller mer i längd. Baserat på vad vi hittade, större kristaller som den kan växa på några dagar."

Pegmatiter bildas där bitar av jordskorpan dras ner och återvinns i planetens smälta mantel. Allt vatten som fångas i skorpan blir en del av smältan, och när smältan stiger och svalnar, det ger upphov till många sorters mineraler. Var och en bildas och fälls ut ur smältan vid en karakteristisk temperatur och tryck. Men vattnet finns kvar, utgör en progressivt högre procentandel av kylsmältan.

"Så småningom, du får så mycket vatten över att det blir mer av en vattendominerad vätska än en smältdominerad vätska, ", sade Phelps. "De överblivna elementen i denna vattniga blandning kan nu röra sig mycket snabbare. Kemiska diffusionshastigheter är mycket snabbare i vätskor och vätskorna tenderar att flöda snabbare. Så när en kristall börjar bildas, element kan komma till det snabbare, vilket betyder att den kan växa snabbare."

Kristaller är ordnade arrangemang av atomer. De bildas när atomer naturligt faller in i det arrangerade mönstret baserat på deras kemiska egenskaper och energinivåer. Till exempel, i gruvan där Phelps samlade sina kvartsprover, många kristaller hade bildats i vad som såg ut att vara sprickor som hade öppnats medan pegmatiten fortfarande bildades.

"Du ser dessa dyka upp och gå igenom lagren av pegmatit själv, nästan som ådror i ådror, " sade Phelps. "När de där sprickorna öppnades, som sänkte trycket snabbt. Så vätskan forsade in, för allt expanderar, och trycket sjönk dramatiskt. Helt plötsligt, alla grundämnen i smältan är nu förvirrade. De vill inte vara i det fysiska tillståndet längre, och de börjar snabbt mötas i kristaller."

För att dechiffrera hur snabbt provkristallerna växte, Phelps använde både katodoluminescensmikroskopi och laserablation med masspektrometri för att mäta den exakta mängden spårelement som hade införlivats i kristallmatrisen vid dussintals punkter under tillväxten. Från experimentellt arbete utfört av materialvetare i mitten av 1900-talet, Phelps kunde dechiffrera tillväxttakten från dessa profiler.

"Det finns tre variabler, " sa han. "Det finns sannolikhet att saker kommer in. Det är fördelningskoefficienten. Det är hur snabbt kristallen växer, tillväxttakten. Och så är det diffusiviteten, så hur snabbt elementära näringsämnen förs till kristallen."

Phelps sa att de snabba tillväxttakten var ganska överraskande.

"Pegmatiter är ganska kortlivade, så vi visste att de måste växa relativt snabbt, ", sa han. "Men vi visade att det var några storleksordningar snabbare än någon hade förutspått.

"När jag äntligen fick ett av dessa nummer, Jag minns att jag gick in på Cin-Tys kontor, och säger, 'Är detta genomförbart? Jag tror inte att det här är rätt.'" mindes Phelps. "För att i mitt huvud, Jag tänkte fortfarande på en tusenårig tidsskala. Och dessa siffror betydde dagar eller timmar.

"Och Cin-Ty sa, 'Väl, varför inte? Varför kan det inte vara rätt?'" sa Phelps. "För att vi hade gjort matematiken och fysiken. Den delen var bra. Även om vi inte förväntade oss att det skulle gå så snabbt, vi kunde inte komma på en anledning till varför det inte var rimligt."