科技行者 1月3日 北京音讯：Kenneth Libbrecht有一项雄伟的方案——在这个严寒的冬天，脱离温暖迷人的南加州，前往坐落阿拉斯加的费尔班克斯。那里冬天气温简直一向低于冰点，他穿上厚厚的派克大衣，捧着照相机外加一块泡沫板，席地而坐，静候天降大雪。

他在这里等候的，是天然界所能产生的最闪亮、最锋利、也最美丽的雪晶。他说，超级雪花往往在最严寒的区域构成，比方费尔班克斯或许白雪皑皑的纽约州北部。在整个研讨进程中，他见过最优质的雪花产自安大略省东北部偏僻的科克伦，那里风力很小，雪花简直是直接从云层中坠落下来。

Libbrecht身处天然环境中，像考古学家相同耐心肠审视着这块搜集板，寻觅最完美的雪花及其他晶体。他解说道，“这项作业需求用肉眼调查，找到高质量的雪花。假如板子上没有，就扫掉重来。整个进程需求重复几个小时。”

Libbrecht是一位物理学家，他在加州理工学院的试验室里专门研讨太阳的内部结构，并开发了先进的引力波探测器。但20年以来，Libbrecht关于雪花的研讨热心一向没有衰退——除了外观之外，他更重视构成雪花形状的内涵原因。他慨叹道，“看着这些从天上坠落的造物，我心里总在想，它们为什么会是这样的形状？”

75年以来，物理学家们现已知道，雪花这种细小晶体首要分为两大类型。其一是标志性的扁平星形，含有 6 个或 12 个瓣，每一瓣又带有美丽的晶状延伸，如万花筒般令人目不暇接；另一种则是圆柱形，其间一部分好像两块薄片晶夹起的三明治，另一部分则像是五金店里常见的螺栓。不同的雪花形状与环境、温度、湿度相关，但详细构成原因却一向是个谜。

多年以来，Libbrecht的艰苦调查让人们关于雪花的结晶进程有了更深化的了解。法国鲁昂大学资料科学家Gilles Demange对雪晶也很有爱好，他点评：“KennethLibbrecht能够说是这一范畴的「教主」。”

现在，Libbrecht将自己的实地调查整理成一种新的结晶理论模型，力求解说雪花以及其他雪晶的构成办法与规则。在本年10月宣布的论文中，他描绘了水分子在凝固点邻近的摇动态势，并依据这种分子的特定运动规则解说了不同条件下晶体的整个构成进程。在另一本长达540页的专著中，Libbrecht还描绘了关于雪晶的悉数常识。赖斯大学凝聚态物理学家Douglas Natelson谈论这本论著时称其：“如环法自行车赛般充溢艰苦。”

Natelson总结道，“不容易，但这项效果真的太棒了。”

▲图：加州理工学院物理学家Kenneth Libbrecht，正在安大略省科克伦区域调查。当高质量的冰晶落在泡沫板上时，他会用小刷子将其拾取至玻片上，再经过显微镜调查。

关于六角星

咱们或许都听过一句俗谚——“没有两片彻底相同的雪花”，这一现实源自晶体在空中的结晶进程。雪的实质是一团冰晶的集合体，它在大气中构成，并在落下地上的进程中保存原形。只要当大气温度足够低，才会构成雪花，不然它们会交融乃至消融，终究变成雨夹雪或朴实的雨滴。

虽然云层中的温度与湿度水平多种多样，但这些变量关于单片雪花而言简直相当于常数。正因如此，雪花通常会构成对称性结构。另一方面，塔夫茨大学化学家Mary Jane Shultz在最近宣布的一篇关于雪花物理学的论文中指出，每片雪花实践上都会遭到风、曝光以及其他变量的影响，而“遭到这些混沌要素的影响，每片冰晶的形状都会略有差异”。

虽然云层中包含了很多的温度和湿度等级，但这些变量关于一片雪花而言简直是稳定的，这便是为什么雪花的成长通常是对称性结构。在另一方面，塔夫茨大学（Tufts University）化学家Mary Jane Shultz在最近宣布的一篇关于雪花物理学的论文中指出，每片雪花实践上都会遭到风、曝光以及其他变量的影响。她解说称，当每片冰晶遭到这些混沌要素的影响时，它们的形状都会略有差异。

对雪花结构的调查与研讨，最早能够追溯至公元前135年的我国。其时西汉诗人韩婴的《韩氏别传》这样描绘雪花：“凡草木花多五出，雪花独六出”，这句话的意思便是，一般的花花草草多大多是五瓣的，独独雪花有六瓣。这应该是古人对雪花形状的最早描绘和总结了。可见，至少在2000多年前的西汉时期，我国人对雪花就现已有很翔实的知道、调查和研讨了，后世的许多诗句都沿用了“雪花六出”的典故，在诗人们的笔下，雪花现已成为了我国古代诗词中的经典形象，有一起的文学方位。不过即便如此，真实期望探究雪花背面原因的第一位科学家，当数德国科学家兼博物学家Johannes Kepler。

1611年，Kepler向他的赞助人——神圣罗马皇帝鲁道夫二世——赠送了一份新礼物，这是一篇名为《六角形雪花》的论文。Kepler写道，在经过布拉格的查理大桥时，注意到衣领上落下一片雪花，这不由让他开端考虑雪花的几许形状。他写道，“雪花的六角形结构，背面必定有原因，这不或许是偶尔。”

他还回想起今世英国科学家兼天文学家Thomas Harriot的一封信，此人曾担任探险家Walter Raleigh爵士的领航员。约1584年，Harriot遇上一个问题，即为船甲板上的炮弹寻觅最优堆积办法，效果他发现，六角形结构好像是将球体严密堆积在一同的最佳办法。Harriot把这件作业告知了Kepler，Kepler想知道，天然界中的雪花是否也会产生相似的作业，以及它们的六个面是否能够被固定摆放在“水滴等最小天然液体单位”之上。

▲ 图：显微镜下的扁平状雪花。

这实践上是对原子物理学的一个前期研讨思路，可是整个学科直到300年前才正式建立。现实上，水分子，连同它的两个氢和一个氧，往往倾向于锁在一同构成六边形摆放。Kepler与其他同僚其时并没有意识到这有多么重要。Natelson说：“因为氢键和分子间相互效果的细节，就有了这种相对敞开的晶体结构。”除了有助于雪花的成长，这种六边形结构使得冰的密度比液态水低，这极大地影响了地球化学、地球物理和气候的构成与体现。他以为，假如冰无法漂浮，“那么地球上就不或许有生命诞生”。

虽然Kepler的论文顺畅宣布，但雪花调查更多是一种业余爱好，而远未被归入科学范畴。19世纪80年代，一位名叫Wilson Bentley的美国摄影师——来自佛蒙特州杰里科区域的一个严寒的、高质量的产雪村庄——开端测验运用底片制作第一张雪晶图画。在终究死于肺炎之前，他为咱们留下了超越5000多张雪晶相片。

▲ 图：日本物理学家中谷幸一郎投入数十年之久，对各类不同雪花展开研讨。

接下来，到20世纪30年代，日本研讨员中谷幸一郎开端对不同雪晶类型进行体系研讨。到十九世纪中叶，中谷开端测验在试验室里制作雪花，包含运用兔毛将霜晶悬浮在冷冻空气中，并逐渐构成完好的雪花。他不断修正湿度与温度设定，探究两种首要冰晶类型的构成机理，并整理出一份关于或许晶体形状的开创性目录。中谷发现，星形结构往往在-2至-15摄氏度条件下构成，而圆柱形结构则多见于-5至-30摄氏度环境中。在低湿度条件下，星形雪花的分支较少，相似于六角形晶片；但在高湿度条件下，星形雪花则能发展出更杂乱、更绚烂的结构。

Libbrecht介绍，在中谷完成了一系列开创性作业之后，人们总算开端重视不同雪晶形状的构成原因。当边际快速横向成长，但纵向成长速度较慢时，雪花往往会呈现出扁平的星状以及板状结构（而非三维结构）。与之对应，柱状雪花则是纵向成长较快、但横向成长慢的产品。

可是，决议雪晶究竟是星形仍是柱形的潜在原子进程依然不为人知。Libbrecht说到，“温度的改变，详细产生了怎样的效应？我一向期望将这些影响元素整合起来。”

雪花的配方

Libbrecht和重视这一课题的研讨小组一向期望为雪花的构成整理出一份“配方”——即一组方程与参数，只需将将其输入超级计算机，就能生成各式各样的雪花。实践上，他们现已成功了。

在意识到存在带帽圆柱这种来自异国的雪花结构之后，Libbrecht开端了长达二十年的研讨。这种雪花看起来像是咱们了解的线轴，或许说是用轮轴连起来的两个轮子。作为北达科他州土生土长的居民，Libbrecht对此感到震动，他很猎奇“我为什么从来没见过这样的雪花？”带着对雪晶的痴迷，他随后出书了一本解说雪花性质的科普读物。很快，他开端在自己的试验室中制作各类雪花出产设备。而他提出的最新模型，能够说是几十年调查效果与近年来实践出产相结合的一起产品。

他提出的要害性打破是一种被称为外表能量驱动的分子分散机制。这一思路描绘了初始条件怎么影响雪晶分子的活动，并终究决议雪晶呈现出的形状。

幻想一下，当水分子刚刚开端冻住时，各分子的摆放依然比较松懈。假如经过显微镜进行调查，咱们会发现，严寒的水分子开端构成一个个刚性晶格，其间每个氧原子被四个氢原子包裹起来。这些晶格不断吸收空气中的水分子，借此完成自我成长。而成长方向则分为两种——横向成长，纵向成长。

当横向吸收速度超越纵向吸收速度时，雪花终究就会呈现为薄且扁平的晶体（板状或许星状）——这意味着新生成的晶领会不断在横向上分散。可是，当纵向吸收速度高于横向时，晶体的高度会不断增加，终究构成针状、空心圆柱或许棒状结构。

依据Libbrecht的模型，水蒸气会首要沉积在晶体的角上，然后经过整个外表分散至晶体边际或许中心方位，二者别离对应晶体的横向以及纵向成长。在各种外表以及不稳定性的相互效果之下，「温度」成了终究决议哪种成长办法能够胜出的要害。

这一切，都只会在「冰」这种非同小可的物质傍边产生，这种现象被称为「预消融」。水冰混合物的温度无限趋近于融点，因而最外表的几层呈现出无序的液体状态。预消融究竟以横向仍是纵向方法产生，首要遭到环境温度的影响，不过其间的细节原理没有彻底清晰。Libbrecht表明，“我提出的模型还很粗糙，细节部分仍有待完善。”不过他对全体外观提出的假定，好像现已十分合理。

▲ 图：圆柱状雪花示例。

他的这套新模型归于“半阅历式”，即依据调查效果进行了部分调整，而非从零开端对雪花成长进行原理性解说。这一点能够了解，究竟很多分子之间的不稳定性与相互效果过分杂乱，简直无法彻底说明。可是，他期望自己的效果能够为全面的「冰晶体成长动力学模型」奠定根底，终究经过更翔实的丈量与试验，找到细致牢靠的定论。

虽然「冰」在天然界中十分特别，但凝聚态物理学范畴却遍及存在着相似的问题。药物分子、用于计算机的半导体芯片、太阳能电池以及很多其他使用，都依赖于高质量晶体的物理与化学性质，这也使得很多研讨人员投身于晶体成长的理论研讨傍边。

Meenesh Singh是芝加哥伊利诺伊大学的一名研讨人员。他和其他几位作者最近宣布了一篇论文，其间确认了一种新的机制，有望揭开溶剂傍边晶体成长的原理之谜。溶剂环境中的晶体成长，与Libbrecht所重视的冰雪相变结晶有所不同。所谓溶剂结晶，行将固体资料溶解在水或许其他液体充任的溶液傍边，经过调理温度并增加其他溶剂，咱们就能借此生成新的药物分子结晶，或许为太阳能电池出产新的晶体等等。

Singh表明，“现在，关于晶体成长的一切使用都只能以阅历为根底。咱们把握的只要部分阅历性数据，再依据这些信息测验解说晶体的成长办法。”他着重称，现在还不清楚溶液中的分子是怎么被整合到晶体中的。“分子究竟是阅历了怎样的效果才会开端结晶？单个分子为什么会转化为晶体？朝着这个方向想下去，咱们会发现越来越多无法解说、未被处理的新问题。”

Libbrecht深信，更谨慎的试验与更杂乱的计算机模拟能力，有望在未来几年内逐渐揭开晶体成长的相关难题。他表明，“总有一天，人们将能够构建起一套完好的分子模型，其间细化到原子单位，整个现象调查进程将不断继续，直到下探到量子力学层面。”

现在的他，依然喜爱带上相机来一场追逐冰雪的旅程。最近他一向在待在阳光明媚的南加州，并在试验室里组装了一台用于出产雪花的精细体系。现年61岁的他，由衷的慨叹道：“我能够渐渐退休，开端全神贯注跟冰雪打交道了。”