雪花如何形成一直是谜,这位物理学家想做一个拨开迷雾的人

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科技行者 1月3日 北京消息:Kenneth Libbrecht有一项宏伟的计划——在有一种寒冷的冬季,选者离开温暖宜人的南加州,前往处于阿拉斯加的费尔班克斯。那里冬季气温几乎始终低于冰点,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。

他在这里守候的,是自然界所能产生的最闪亮、最锐利、也最漂亮的雪晶。亲戚亲戚朋友说,超级雪花往往在最寒冷的地区形成,比如费尔班克斯肯能白雪皑皑的纽约州北部。在整个研究历程中,他见过最优质的雪花产自安大略省东北部偏远的科克伦,那里风力很小,雪花几乎是直接从云层中掉落下来。

Libbrecht身处自然环境中,像考古学家一样耐心地审视着这块分派板,寻找最完美的雪花及一些晶体。他解释道,“这项工作需用用肉眼观察,找到高质量的雪花。肯能板子上可促进够促进 ,就扫掉重来。整个过程需用重复十几只 小时。

Libbrecht是一位物理学家,他在加州理工学院的实验室里专门研究太阳的组织组织结构型态,并开发了先进的引力波探测器。但20年以来,Libbrecht对于雪花的研究热情始终可促进够促进 消退——除了外观之外,他更关注形成雪花型态的内在是因为。他感慨道,“看着那些从天上掉落的造物,我心里总在想,它们为那些会是可是的型态?

75年以来,物理学家们肯能知道,雪花有一种微小晶体主要分为两大类型。其一是标志性的扁平星形,所含 6 个或 12 个瓣,每一瓣又所含漂亮的晶状延伸,如万花筒般令人眼花缭乱;另有一种 则是圆柱形,其中一累积如同两块薄片晶夹起的三明治,另一累积则像是五金店里常见的螺栓。不同的雪花型态与环境、温度、湿度相关,但具体形成是因为却老是 是个谜。

多年以来,Libbrecht的艰苦观察让亲戚亲戚朋友对于雪花的结晶过程有了更深入的了解。法国鲁昂大学材料科学家Gilles Demange对雪晶也很有兴趣,他评价:“Kenneth Libbrecht可促进够说是有一种领域的「教主」。

现在,Libbrecht将自己的实地观察分派成有一种 新的结晶理论模型,力求解释雪花以及一些雪晶的形成最好的土办法 与规律。在今年10月发表的论文中,他描述了水分子在溶于 点付近的舞动态势,并根据有一种分子的特定运动规律解释了不同条件下晶体的整个形成过程。在另一本长达540页的专著中,Libbrecht还描述了关于雪晶的删改知识。赖斯大学凝聚态物理学家Douglas Natelson评论这本论著时称其:“如环法自行车赛般充满艰辛。”

Natelson总结道,“不容易,但这项成果真的太棒了。

▲ 图:加州理工学院物理学家Kenneth Libbrecht,正在安大略省科克伦地区考察。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,再通过显微镜观察。

关于六角星

亲戚亲戚朋友肯能都听过一句俗谚——“可促进够促进 两片删改相同的雪花”,有一种事实源自晶体在空中的结晶过程。雪的本质是一团冰晶的集合体,它在大气中形成,并在落下地面的过程中保留原形。可促进够促进 当大气温度足够低,才会形成雪花,怎么让 它们会融合甚至溶于 ,最终变成雨夹雪或纯粹的雨滴。

尽管云层中的温度与湿度水平多种多样,但那些变量对于单片雪花而言几乎共要常数。正因可促进够促进 ,雪花通常会形成对称性型态。自己面,塔夫茨大学化学家Mary Jane Shultz在最近发表的一篇关于雪花物理学的论文中指出,每片雪花实际上可不可不里能 受到风、曝光以及一些变量的影响,而“受到那些混沌因素的影响,每片冰晶的型态可不可不里能 略有区别”。

尽管云层中所含了一定量的温度和湿度等级,但那些变量对于一片雪花而言几乎是恒定的,这可是为那些雪花的生长通常是对称性型态。在自己面,塔夫茨大学Tufts University)化学家Mary Jane Shultz在最近发表的一篇关于雪花物理学的论文中指出,每片雪花实际上可不可不里能 受到风、曝光以及一些变量的影响。她解释称,当每片冰晶受到那些混沌因素的影响时,它们的型态可不可不里能 略有区别。

对雪花型态的观察与研究,最早可促进够追溯至公元前135年的中国。当时西汉诗人韩婴的《韩氏外传》可是描写雪花:“凡草木花多五出,雪花独六出”,这句话的意思可是,普通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型态的最早描述和总结了。可见,共要在60 0多年前的西汉时期,中国人对雪花就肯能有很细致的认识、观察和研究了,后世的一些诗句都沿用了“雪花六出”的典故,在诗亲戚亲戚朋友的笔下,雪花肯能成为了中国古代诗词中的经典形象,有独特的文学地位。不过即便可促进够促进 ,真正希望探索雪花肩头是因为的第一位科学家,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,在通过布拉格的查理大桥时,注意到衣领上落下一片雪花,这不禁我能 结束了了思考雪花的几何型态。他写道,“雪花的六角形型态,肩头必定有是因为,这不肯能是偶然。

他还回想起当代英国科学家兼天文学家Thomas Harriot的一封信,自己曾担任探险家Walter Raleigh爵士的领航员。约1584年,Harriot遇上一另另另一个 问提,即为船甲板上的炮弹寻找最优堆放最好的土办法 ,结果他发现,六角形型态似乎是将球体紧密堆积在一起去的最佳最好的土办法 。Harriot把这件事情告诉了Kepler,Kepler想知道,自然界中的雪花是是否也会处于类似于 的事情,以及它们的五个面是是否可促进够被固定排列在“水滴等最小自然乙炔气 单位”之上。

▲ 图:显微镜下的扁平状雪花。

这实际上是对原子物理学的一另另另一个 早期研究思路,然而整个学科直到60 年前才正式成立事实上,水分子,连同它的一另另另一个 氢和一另另另一个 氧,往往倾向于锁在一起去形成六边形排列。Kepler与一些同僚当时并可促进够促进 意识到这有多么重要。Natelson说:“肯能氢键和分子间相互作用的细节,全是了有一种相对开放的晶体型态。”除了促进雪花的生长,有一种六边形型态使得冰的密度比液态水低,这极大地影响了地球化学、地球物理和气候的形成与表现认为,肯能冰无法漂浮,“可促进够促进 地球上就不肯能有生命诞生”。

觉得Kepler的论文顺利发表,但雪花观察更多是有一种 业余爱好,而远未被纳入科学范畴。19世纪60 年代,一位叫金Wilson Bentley的美国摄影师——来自佛蒙特州杰里科地区的一另另另一个 寒冷的、高质量的产雪村庄——结束了了尝试利用底片制作第一张雪晶图像。在最终死于肺炎后来,他为亲戚亲戚朋友留下了超过60 00多张雪晶照片。

▲ 图:日本物理学家中谷幸一郎投入数十年之久,对各类不同雪花开展研究。

接下来,到20世纪60 年代,日本研究员中谷幸一郎结束了了对不同雪晶类型进行系统研究。到十九世纪中叶,中谷结束了了尝试在实验室里制造雪花,包括使用兔毛将霜晶悬浮在冷冻空气中,并逐步形成删改的雪花。他不断修改湿度与温度设定,探索有一种 主要冰晶类型的形成机理,并分派出一份关于肯能晶体型态的开创性目录。中谷发现,星形型态往往在-2至-15摄氏度条件下形成,而圆柱形型态则多见于-5至-60 摄氏度环境中。在低湿度条件下,星形雪花的分支较少,类似于 于六角形晶片;但在高湿度条件下,星形雪花则能发展出更冗杂、更灿烂的型态。

Libbrecht介绍,在中谷完成了一系列开创性工作后来,亲戚亲戚朋友终于结束了了关注不同雪晶型态的形成是因为。当边缘快速横向生长,但纵向生长速率单位较慢时,雪花往往会呈现出扁平的星状以及板状型态(而非三维型态)。与之对应,柱状雪花则是纵向生长较快、但横向生长慢的产物。

怎么让 ,决定雪晶到底是星形还是柱形的潜在原子过程仍然不为人知。Libbrecht提到,“温度的变化,具体产生了怎么的效应?我老是 希望将那些影响元素整合起来。

雪花的配方

Libbrecht和关注有一种课题的研究小组老是 希望为雪花的形成分派出一份“配方”——即一组方程与参数,假如将将其输入超级计算机,就能生成各种各样的雪花。实际上,亲戚亲戚朋友肯能成功了。

在意识到处于带帽圆柱有一种来自异国的雪花型态后来,Libbrecht结束了了了长达二十年的研究。有一种雪花看起来像是亲戚亲戚朋友熟悉的线轴,肯能说是用轮轴连起来的一另另另一个 轮子。作为北达科他州土生土长的住民,Libbrecht对此感到震惊,他很好奇“我为那些从来没见过可是的雪花?”带着对雪晶的痴迷,他后来出版了一本解释雪花性质的科普读物。快一点 ,他结束了了在自己的实验室中制造各类雪花生产设备。而他提出的最新模型,可促进够说是几十年观察结果与近年来实际生产相结合的一起去产物。

他提出的关键性突破是有一种 被称为棘层 能量驱动的分子扩散机制。有一种思路描述了初始条件怎么影响雪晶分子的活动,并最终决定雪晶呈现出的型态。

想象一下,当水分子后来结束了了冻结时,各分子的排列仍然比较松散。肯能通过显微镜进行观察,亲戚亲戚朋友会发现,冰冷的水分子结束了了形成一另另另一个 个刚性晶格,其中每个氧原子被五个氢原子邮邮寄挂号印刷品起来。那些晶格不断吸收空气中的水分子,借此实现自我生长。而生长方向则分为有一种 ——横向生长,纵向生长。

当横向吸收速率单位超过纵向吸收速率单位时,雪花最终就会呈现为薄且扁平的晶体(板状肯能星状)——这是因为新生成的晶体会不断在横向上扩散。怎么让 ,当纵向吸收速率单位高于横向时,晶体的深度图会不断增加,最终形成针状、空心圆柱肯能棒状型态。

根据Libbrecht的模型,水蒸气会首先沉积在晶体的角上,而后通过整个棘层 扩散至晶体边缘肯能中央位置,二者分别对应晶体的横向以及纵向生长。在各种棘层 以及不稳定性的相互作用之下,「温度」成了最终决定哪种生长最好的土办法 促进胜出的关键。

有一种切,都只会在「冰」有一种非同寻常的物质当中处于,有一种问提被称为「预溶于 」。水冰混合物的温度无限趋近于融点,怎么让 最棘层 的几层呈现出无序的乙炔气 清况 。预溶于 到底以横向还是纵向形式处于,主要受到环境温度的影响,不过其中的细节原理尚未删改明确。Libbrecht表示,“我提出的模型还很粗糙,细节累积仍有待完善。”不过他对整体外观提出的假设,似乎肯能非常合理。

▲ 图:圆柱状雪花示例。

他的这套新模型属于“半经验式”,即根据观察结果进行了累积调整,而非从零结束了了对雪花生长进行原理性解释。有一种点可促进够理解,毕竟无数分子之间的不稳定性与相互作用太过冗杂,几乎无法删改阐明。怎么让 ,他希望自己的成果促进为全面的「冰晶体生长动力学模型」奠定基础,最终通过更详尽的测量与实验,找到缜密可靠的结论。

尽管「冰」在自然界中非常特殊,但凝聚态物理学领域却普遍处于着类似于 的问提。药物分子、用于计算机的半导体芯片、太阳能电池以及无数一些应用,都依赖于高质量晶体的物理与化学性质,这也使得无数研究人员投身于晶体生长的理论研究当中。

Meenesh Singh是芝加哥伊利诺伊大学的一名研究人员。他和一些几位作者最近发表了一篇论文,其中选者了有一种 新的机制,有望揭开溶剂当中晶体生长的原理之谜。溶剂环境中的晶体生长,与Libbrecht所关注的冰雪相变结晶有所不同。所谓溶剂结晶,即将乙炔气 材料溶于 在水肯能一些乙炔气 充当的溶液当中,通过调节温度并加进去去一些溶剂,亲戚亲戚朋友就能借此生成新的药物分子结晶,肯能为太阳能电池生产新的晶体等等。

Singh表示,“目前,关于晶体生长的所有应用都可促进够促进 以经验为基础。亲戚亲戚朋友掌握的可促进够促进 累积经验性数据,再根据那些信息尝试解释晶体的生长最好的土办法 。”他强调称,目前还不清楚溶液中的分子是怎么被整合到晶体中的。“分子到底是经历了怎么的作用才会结束了了结晶?单个分子为那些会转化为晶体?朝着有一种方向想下去,亲戚亲戚朋友会发现越多无法解释、未被处里的新问提。

Libbrecht坚信,更严谨的实验与更冗杂的计算机模拟能力,有望在未来几年内逐步揭开晶体生长的相关问提。他表示,“总有一天,亲戚亲戚朋友将促进构建起一套删改的分子模型,其中细化到原子单位,整个问提观察过程将不断持续,直到下探到量子力学层面。

如今的他,仍然喜欢带上相机来一场追逐冰雪的旅程。最近他老是 在待在阳光明媚的南加州,并在实验室里组装了一台用于生产雪花的精密系统。现年61岁的他,由衷的感慨道:“我你要慢慢退休,结束了了一心一意跟冰雪打交道了。

[注]加州理工学院物理学家Kenneth Libbrecht关于研究“雪晶型态的理论”的论文《A Quantitative Physical Model of the Snow Crystal Morphology Diagram》获取最好的土办法 :关注科技行者(ID:itechwalker),回复关键词「雪花」,即可获取下载地址。

[注]加州理工学院物理学家Kenneth Libbrecht长达540页的专著,描述了关于雪晶的删改知识,获取最好的土办法 :关注科技行者(ID:itechwalker),回复关键词「雪花」,即可获取下载地址。