小化學：所有雪花都是六角形么？內附播音

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就在昨天夜裡北京、天津終於迎來了今冬姍姍來遲的第一場雪，果然沒過多久就有同學向我表露了「想要了解關於雪花的一些科學知識」的意願。那麼我們今天就站在化學和物理學的角度上說一說漂亮的雪花。

為什麼是六角形？

我們大多時候見過的雪花都是六角形的，但是考慮到雪花本身是有厚度的，所以準確地說應該是六角盤狀。雪花的本質其實是小冰晶，由水分子凝結成的。每個水分子（H2O）都是有一個氧原子（O）和兩個氫原子（H）組成的。中學化學課講過，兩個相鄰近的水分子之中的一個氫原子和另一個分子中的氧原子存在一種相互吸引力，稱為「氫鍵」。

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水分子結晶分子排布模擬圖 Kenneth G. Libbrecht

凝結成冰時氫鍵會發生作用，讓水分子自然地成六角排布結構。這就是雪花是六角形，或者「以六角形為基礎的複雜形狀「的原因。所以，與其說雪花的美麗形狀"是大自然的神奇"，倒不如說是"因為化學和物理原理雪花不得不變成這個形狀"。

為什麼對稱？

每一片雪花中心都有凝結核，它可能是一粒灰塵。當雪花開始圍著這個凝結核生長時就會受到氫鍵的方向指引，朝著最有效率的結晶方向生長，所以雪花每個枝杈都對稱並不是雪花有自己的意志，同樣是受科學規則約束只能長成那個樣子。

其實我們仔細觀察大片雪花的時候會發現天然雪花也並非完全對稱，這是因為在自然條件下凝結過程會有很多干擾因素，比如：進入新的灰塵，會讓雪花變得不那麼完美。而且研究發現，快速結晶的雪花比緩慢結晶的雪花更加不對稱。

只有六角形雪花？

自然界中並非所有的雪花都是六角形的。

實驗室模擬發現，在零下15℃左右形成的雪花最大，形狀也最複雜。零下6℃的環境下，形成的雪花主要是針狀和六稜柱形狀的。

日本物理學家中谷宇吉郎曾經專門深入研究雪花的結晶形狀，並在1936年製造出了歷史上第一朵人造雪花，還發現環境的濕度越大雪花的形狀越複雜。通過多年的研究中谷教授將雪花的形狀和形成溫度、濕度繪製成了一張美麗的圖表，稱為中谷關係圖。

機具科學美的中谷關係圖

科學和藝術

科學家們和普通人一樣熱愛美麗的事物，不光是中谷教授，早在400多年前，著名天文學家開普勒（Johannes Kepler）寫了一本姑且算是科學論文的小冊子——《六角雪花》，作為送給好友的禮物。裡面就已經提到了雪花那不可思議的美麗形狀，還簡單分析了這種形狀的成因，可惜在那個時代還沒有創立「凝聚態物理學」以及「結構化學」，所以開普勒的這項研究幾乎不為人所知。

科學家們把美麗雪花的形成過程科學化、理論化，並非焚琴煮鶴，破壞浪漫。相反，科學家們其實是讓這種自然界的美麗和浪漫更加具體，更加觸手可得。不信的話，就看看下面幾張實驗室中製造雪花的影像吧。

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