為什麼一粒灰塵可以長成六邊形的雪花？

知識 09-11

一粒細小灰塵在恰當的條件下，可以生長成一片美麗的雪花，背後的奧秘讓人遐想。加州理工學院的物理學家肯內特·利布雷得勒支（Ken Libbrecht），多年來潛心研究晶體生長的分子動力學，揭示了自然界中各種雪花生長的奧秘，他甚至在實驗室里得到了人造雪花。

肯內特·利布雷得勒支從小在北達科他州（North Dakota）長大，對雪十分熟悉。後來，他來到了加利福尼亞理工學院（the California Institute of Technology），成為了一名物理學家。在這個溫暖的地方，他沉醉在了兒時所見的雪花們的科學世界裡。

研究晶體生長的時候，他迷上了與冰相關的物理學，並很快成為雪花領域的一流專家。寒冬時節，他來到密歇根州、安大略省和其他北方地區，並在旅途中，利用顯微鏡捕獲和拍攝了冰晶的圖像。在帕塞迪納市陽光明媚的實驗室里，他建造了一個冷室，在那裡培育自己的雪花。

加州理工學院物理學教授Ken Libbrecht

雪花實驗室：他想做出「超級雪花」

多年來，Libbrecht積累了無數的雪花樣例，比如經典的六分枝形、盤形、圓柱形、稜柱形，以及其他霜凍形式的雪花。在發表於 Annual Review of Materials Research 期刊的一項研究中，他探索了影響冰晶生長的因素，並成功將簡單的水轉變成了美麗的結晶。

然而，要研究雪花，仍然需要學習大量的物理學知識。「當我開始研究冰的時候，我才驚訝地發現，過去50年中，我們所做的工作是如此之少，」Libbrecht說道，「我們只看到雪花從天而降，卻並不清楚它是如何形成的。」

每片雪花都是一個小冰晶，在大氣內的水蒸氣里凝結而成。但是，在雪花形成過程中，由於溫度、濕度、風，以及其他因素的影響，每片雪花每時每刻都存在不同的生長速度，從而形成與之前的雪花完全不同的圖案。

對於Libbrecht來說，只需要觀察落下的雪花的類型——不管是片狀，盤狀，柱狀還是其他形狀，他都可以精確定位高空中雲層的溫度和濕度。

雪花郵票

在實驗室里，Libbrecht一直探索著相關的科學問題，例如空氣和生長的晶體之間的相互作用，是如何影響其最終形狀的。此外，他也研究雪花的藝術性——比如，為了產生新的晶體圖案，需要製造出比自然界中大得多的雪花。（普通的雪花可能寬3毫米，但Libbrecht希望他計劃中的「超級雪花」寬達到1厘米。）

正是這種物理學和大自然奇觀的結合，吸引Libbrecht再次回到了雪的世界。「這其中的複雜性和對稱性，讓它們變得如此美麗，」他講道，「科學是迷人的，但藝術也同樣很有趣。」他提供的雪花圖像，被印製成了精美的郵票。

此外，迪士尼電影《冰雪奇緣》也特意向他諮詢了雪花的呈現方式。Libbrecht確保落在Elsa、Anna和他們朋友身上的每一片數字渲染的雪花，都是六邊形的——而不是有時被錯誤展示的八邊形的樣子。

Libbrecht評價說：「它們用自己小小的方式，讓整部電影變得更精緻。用指尖喚出雪花是可行的，但它們必須看起來像真正的雪花。」

冰晶的原理：從水到雪晶

當雲中的一滴水，凝結在微小的塵埃粒子周圍時，會產生一顆小冰心，這就是每片雪花的開始。這一過程發生在大約-6~-15℃之間（低於水的凝固點），灰塵顆粒則是水滴凍結時的內核。緊接著，冰晶內核開始捕獲附近漂浮的水蒸氣分子，這些水蒸氣被凍結在晶體上，讓晶體得以生長。

圖 | K.LIBBRECHT

大約半小時的時間裡，晶體不斷變大，直到它變得足夠沉重，這時，不再有額外的水蒸氣被它捕獲，晶體從雲層中掉落下來。科學家們把這種方式形成的小冰晶，稱為「雪晶」（snow crystal）。對我們來說，這就是一片雪花。

豐富的刻面

刻面（factes）是塑造雪花生長的一個關鍵過程。從側面看過去，六角形的稜柱具有精美銳利的刻面。水分子附著在初始晶種上，就產生了這個結構。每個水分子都希望抓住儘可能多的其他水分子，之後，它們自然而然地自組織成一種模式，使分子之間的接觸最大化，併產生了六個光滑的刻面。（在桌子上放一枚硬幣，每枚硬幣都儘可能多的接觸其他的硬幣，最終會得到一個類似的六邊形圖案。）有時，雪花會繼續通過刻面生長，產生一個如圖所示的大六邊形晶體。

刻面 | K.LIBBRECHT

六邊形的魅力

分支（branch）是決定雪花如何生長的第二個關鍵過程。想像一個六邊形的初始晶種，水分子更喜歡附著在粗糙表面上，而六邊形的角部是相對來說粗糙的地方。因此，開始時，水蒸氣通常會積聚在六個角上。之後，每個角落的小結晶很快就會變成一個較大的結晶。緊接著整個晶體開始分支。每個分支都保留了反映水分子晶格特徵的 60° 角。

圖 | K.LIBBRECHT

環境變化

每一片雪花都誕生和生長在一個獨一無二的環境中，因此，雪花有著無窮無盡的種類。大氣中可用的水蒸氣量，以及晶體隨著其生長而下降的溫度，決定了每片雪花獨一無二的外形。即使在同一天氣系統中並排落下的雪花，外觀也各有差異。

較高的濕度會帶來更快的生長和更精細的分支：當濕度相對較高，溫度在-15℃左右時，會形成「樹枝狀晶體」這種最大最錯綜複雜的雪花。值得注意的是，在這種快速生長的晶體中，位於6個主要分支兩側的粗短分支，並不是完美對稱的。這些差異反映了晶體在形成時的環境變化。

樹枝狀晶體 | K.LIBBRECHT

下面，來欣賞兩種雪花形狀~

星盤形雪花

圖 | K.LIBBRECHT

除了漂亮的六邊形晶體，雪花也有其他各式各樣的形狀和大小。圖中的晶體是星盤形雪花的一個例子。盤形晶體形成於大約-2℃和-15℃這兩種不同的溫度下。它們對環境條件的微小變化極其敏感——假若增加一點點額外的濕度，它就會變成更引入注目的樹枝狀結晶體。

同時，不斷變化的生長條件可能會在晶體內留下漣漪，就像這個晶體中心附近呈現的樣子；環境的變化也可能會留下隆起的脊，就像六個小盤外邊緣的輪廓一樣。一片典型的雪花只要30分鐘就可以形成，這些複雜的圖案反映了僅僅半小時內雪花所經歷的環境變化。

柱形雪花

與其多分支的表兄弟相比，柱狀晶體長得又長又細，就像冰冷的木製鉛筆。柱的端部通常生長得比較快，中心明顯跟不上兩端的生長速度，兩端就會呈現出被挖空的狀態。最終，中心完全停止增長，晶體在每端都呈現出小的錐形氣泡，這些特徵可能反映了柱的末端被挖空時溫度的變化。

柱狀晶體通常在-5℃左右形成，剛好低於水的冰點。濕度很高時，它們可以長到3毫米長，細細長長的樣子，被稱為「針狀晶體」。細長的晶體簇非常常見，可以用肉眼看到，看起來就像從空中飄落白髮片段。

晶體的外衣

冰晶形成後，常常會遇到其它的水蒸氣液滴，這些水滴在晶體結構上凍結，形成一種稱為霜的塗層。有時，霜很厚，晶體看起來毛茸茸的；有時，霜比較稀少，看起來就像晶體外裹了一層裝飾糖果。

這種顆粒狀的霜晶還會呈現出其他方面的形態。它們碰撞並凍結形成一個大的六角形晶體，然後又開始不斷生長。微小的霜狀顆粒本身也是六邊形的，與大晶體的側面方向相匹配。該圖案表明霜狀顆粒中，水分子結構與內部的晶體結構是一致的，它們已經合併成了一個單晶實體。

圖 | K.LIBBRECHT

野蠻生長

圖 | K.LIBBRECHT

在 Michigan 的Houghton城外，Libbrecht見過一種特別的雪花。誕生時，這種樣子古怪的雪花，像一個非常細的柱形晶體，幾乎像一根針。之後，它遇到了一些水滴，凍結的水滴為它裹上了一層霜的外衣，整個柱子上出現了一點點冰。

接下來，晶體漂浮到雲層的其他部位，在那裡，溫度可能下降到了-10或-15℃（盤面得以生長的溫度）。然後，霧滴開始向外生長出一束小冰盤，它們看起來像垂直於主晶體的橫向盤面。「一個晶體有這樣的生長過程，這真是太不尋常了，」Libbrecht感嘆道，「這些突然而瘋狂的事情只出現了10分鐘，之後就結束了。」

「十全九美」

從外部看起來，這些晶體似乎是完美的，但變形的小冰心暴露了它複雜的形成過程。雪花開始的樣子，像一個簡單的六稜柱，每個角落的末端都像一個線軸。很快，條件轉向支持雪片一端的一側和雪片另一端相反的一側的增長。

圖 | giphy

晶體的左側奪取了空氣中的水蒸氣，並向外生長；右側卻沿向內的方向生長。在晶體的正中心位置，仍然能夠看到一個小小的橢圓形，也就是連接兩側雪片的薄柱。

而在Libbrecht的實驗室里，他也設計出了更複雜精巧的雪花樣式。

蜘蛛網狀：被精心設計的雪花