为什么一粒灰尘可以长成六边形的雪花？

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”宽达到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。

图 | K.LIBBRECHT

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

图 | K.LIBBRECHT

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，形成一种称为霜的涂层。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

图 | K.LIBBRECHT

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，但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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