为什么一粒灰尘可以长成六边形的雪花?

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  一粒细小灰尘在恰当的条件下,可以生长成一片美丽的雪花,背后的奥秘让人遐想。加州理工学院的物理学家肯内特·利布雷得勒支(Ken Libbrecht),多年来潜心研究晶体生长的分子动力学,揭示了自然界中各种雪花生长的奥秘,他甚至在实验室里得到了人造雪花。


  肯内特·利布雷得勒支从小在北达科他州(North Dakota)长大,对雪十分熟悉。后来,他来到了加利福尼亚理工学院(the California Institute of Technology),成为了一名物理学家。在这个温暖的地方,他沉醉在了儿时所见的雪花们的科学世界里。

  研究晶体生长的时候,他迷上了与冰相关的物理学,并很快成为雪花领域的一流专家。寒冬时节,他来到密歇根州、安大略省和其他北方地区,并在旅途中,利用显微镜捕获和拍摄了冰晶的图像。在帕塞迪纳市阳光明媚的实验室里,他建造了一个冷室,在那里培育自己的雪花。


  加州理工学院物理学教授Ken Libbrecht

  雪花实验室:他想做出“超级雪花”

  多年来,Libbrecht积累了无数的雪花样例,比如经典的六分枝形、盘形、圆柱形、棱柱形,以及其他霜冻形式的雪花。在发表于Annual Review of Materials Research期刊的一项研究中,他探索了影响冰晶生长的因素,并成功将简单的水转变成了美丽的结晶。

  然而,要研究雪花,仍然需要学习大量的物理学知识。“当我开始研究冰的时候,我才惊讶地发现,过去50年中,我们所做的工作是如此之少,”Libbrecht说道,“我们只看到雪花从天而降,却并不清楚它是如何形成的。”

  每片雪花都是一个小冰晶,在大气内的水蒸气里凝结而成。但是,在雪花形成过程中,由于温度、湿度、风,以及其他因素的影响,每片雪花每时每刻都存在不同的生长速度,从而形成与之前的雪花完全不同的图案。

  对于Libbrecht来说,只需要观察落下的雪花的类型——不管是片状,盘状,柱状还是其他形状,他都可以精确定位高空中云层的温度和湿度


  雪花邮票

  在实验室里,Libbrecht一直探索着相关的科学问题,例如空气和生长的晶体之间的相互作用,是如何影响其最终形状的。此外,他也研究雪花的艺术性——比如,为了产生新的晶体图案,需要制造出比自然界中大得多的雪花。(普通的雪花可能宽3毫米,但Libbrecht希望他计划中的“超级雪花达到1厘米。)

  正是这种物理学和大自然奇观的结合,吸引Libbrecht再次回到了雪的世界。“这其中的复杂性和对称性,让它们变得如此美丽,”他讲道,“科学是迷人的,但艺术也同样很有趣。” 他提供的雪花图像,被印制成了精美的邮票。

  此外,迪士尼电影《冰雪奇缘》也特意向他咨询了雪花的呈现方式。Libbrecht确保落在Elsa、Anna和他们朋友身上的每一片数字渲染的雪花,都是六边形的——而不是有时被错误展示的八边形的样子。

  Libbrecht评价说:“它们用自己小小的方式,让整部电影变得更精致。用指尖唤出雪花是可行的,但它们必须看起来像真正的雪花。”


  冰晶的原理:从水到雪晶

  当云中的一滴水,凝结在微小的尘埃粒子周围时,会产生一颗小冰心,这就是每片雪花的开始。这一过程发生在大约-6~-15℃之间(低于水的凝固点),灰尘颗粒则是水滴冻结时的内核。紧接着,冰晶内核开始捕获附近漂浮的水蒸气分子,这些水蒸气被冻结在晶体上,让晶体得以生长


  图 | K.LIBBRECHT

  大约半小时的时间里,晶体不断变大,直到它变得足够沉重,这时,不再有额外的水蒸气被它捕获,晶体从云层中掉落下来。科学家们把这种方式形成的小冰晶,称为“雪晶”(snow crystal)。对我们来说,这就是一片雪花。

  丰富的刻面

  刻面(factes)是塑造雪花生长的一个关键过程。从侧面看过去,六角形的棱柱具有精美锐利的刻面。水分子附着在初始晶种上,就产生了这个结构。每个水分子都希望抓住尽可能多的其他水分子,之后,它们自然而然地自组织成一种模式,使分子之间的接触最大化,并产生了六个光滑的刻面。(在桌子上放一枚硬币,每枚硬币都尽可能多的接触其他的硬币,最终会得到一个类似的六边形图案。)有时,雪花会继续通过刻面生长,产生一个如图所示的大六边形晶体。


  刻面 | K.LIBBRECHT

  六边形的魅力

  分支(branch)是决定雪花如何生长的第二个关键过程。想象一个六边形的初始晶种,水分子更喜欢附着在粗糙表面上,而六边形的角部是相对来说粗糙的地方。因此,开始时,水蒸气通常会积聚在六个角上。之后,每个角落的小结晶很快就会变成一个较大的结晶。紧接着整个晶体开始分支。每个分支都保留了反映水分子晶格特征的 60° 角


  环境变化

  每一片雪花都诞生和生长在一个独一无二的环境中,因此,雪花有着无穷无尽的种类。大气中可用的水蒸气量,以及晶体随着其生长而下降的温度,决定了每片雪花独一无二的外形。即使在同一天气系统中并排落下的雪花,外观也各有差异。

  较高的湿度会带来更快的生长和更精细的分支:当湿度相对较高,温度在-15℃左右时,会形成“树枝状晶体”这种最大最错综复杂的雪花。值得注意的是,在这种快速生长的晶体中,位于6个主要分支两侧的粗短分支,并不是完美对称的。这些差异反映了晶体在形成时的环境变化。


  树枝状晶体 | K.LIBBRECHT

  下面,来欣赏两种雪花形状~

  星盘形雪花


  除了漂亮的六边形晶体,雪花也有其他各式各样的形状和大小。图中的晶体是星盘形雪花的一个例子。盘形晶体形成于大约-2℃和-15℃这两种不同的温度下。它们对环境条件的微小变化极其敏感——假若增加一点点额外的湿度,它就会变成更引入注目的树枝状结晶体。

  同时,不断变化的生长条件可能会在晶体内留下涟漪,就像这个晶体中心附近呈现的样子;环境的变化也可能会留下隆起的脊,就像六个小盘外边缘的轮廓一样。一片典型的雪花只要30分钟就可以形成,这些复杂的图案反映了仅仅半小时内雪花所经历的环境变化

  柱形雪花


  与其多分支的表兄弟相比,柱状晶体长得又长又细,就像冰冷的木制铅笔。柱的端部通常生长得比较快,中心明显跟不上两端的生长速度,两端就会呈现出被挖空的状态。最终,中心完全停止增长,晶体在每端都呈现出小的锥形气泡,这些特征可能反映了柱的末端被挖空时温度的变化。

  柱状晶体通常在-5℃左右形成,刚好低于水的冰点。湿度很高时,它们可以长到3毫米长,细细长长的样子,被称为“针状晶体”。细长的晶体簇非常常见,可以用肉眼看到,看起来就像从空中飘落白发片段。

  晶体的外衣

  冰晶形成后,常常会遇到其它的水蒸气液滴,这些水滴在晶体结构上冻结,形成一种称为的涂层。有时,霜很厚,晶体看起来毛茸茸的;有时,霜比较稀少,看起来就像晶体外裹了一层装饰糖果。

  这种颗粒状的霜晶还会呈现出其他方面的形态。它们碰撞并冻结形成一个大的六角形晶体,然后又开始不断生长。微小的霜状颗粒本身也是六边形的,与大晶体的侧面方向相匹配。该图案表明霜状颗粒中,水分子结构与内部的晶体结构是一致的,它们已经合并成了一个单晶实体。


  图 |K.LIBBRECHT

  野蛮生长


  在 Michigan 的Houghton城外,Libbrecht见过一种特别的雪花。诞生时,这种样子古怪的雪花,像一个非常细的柱形晶体,几乎像一根针。之后,它遇到了一些水滴,冻结的水滴为它裹上了一层霜的外衣,整个柱子上出现了一点点冰。

  接下来,晶体漂浮到云层的其他部位,在那里,温度可能下降到了-10或-15℃(盘面得以生长的温度)。然后,雾滴开始向外生长出一束小冰盘,它们看起来像垂直于主晶体的横向盘面。“一个晶体有这样的生长过程,这真是太不寻常了,”Libbrecht感叹道,“这些突然而疯狂的事情只出现了10分钟,之后就结束了。”

  “十全九美”

  从外部看起来,这些晶体似乎是完美的,变形的小冰心暴露了它复杂的形成过程。雪花开始的样子,像一个简单的六棱柱,每个角落的末端都像一个线轴。很快,条件转向支持雪片一端的一侧和雪片另一端相反的一侧的增长。


  图 | giphy

  晶体的左侧夺取了空气中的水蒸气,并向外生长;右侧却沿向内的方向生长。在晶体的正中心位置,仍然能够看到一个小小的椭圆形,也就是连接两侧雪片的薄柱。

  而在Libbrecht的实验室里,他也设计出了更复杂精巧的雪花样式。

  蜘蛛网状:被精心设计的雪花


  图 | K.Libbrecht

  图里这种雪花的冰心暴露了它是人造的事实——自然界中永远不会发现这种蜘蛛网式的图案

  Libbrecht在冷室中,用一个微小的冰晶种创造了这种合成雪花。他为它提供了水蒸气分子,同时调整了环境的温度。冰晶生长的过程中,留下了温度变化的印记——以蜘蛛网的形式——就像年轮保留着周围环境变化的记录一样。

  最终,蜘蛛网的角落长出了新枝,新枝又在其末端产生了新的盘状晶体。制作晶体的整个过程花了将近两个小时,比产生一片天然雪花所需的时间要慢得多,并排合成的晶体也几乎是相同的。

  翻译:尚奇奇

  编辑:王怡蔺

  参考来源:

  https://www.knowablemagazine.org/article/physical-world/2017/how-snowflakes-grow

  本文经授权转载自公众号集智俱乐部

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