科學也可以如此靠近

為什麼一粒灰塵可以長成六邊形的雪花?


果殼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(K L),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...

- 2018年9月14日18時51分
- 【果殼】

果殼

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,他來到密西根州、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,並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

圖 | K.Libbrecht

圖里這種雪花的冰心暴露了它是人造的事實——自然界中永遠不會發現這種蜘蛛網式的圖案。

Libbrecht在冷室中,用一個微小的冰晶種創造了這種合成雪花。他為它提供了水蒸氣分子,同時調整了環境的溫度。冰晶生長的過程中,留下了溫度變化的印記——以蜘蛛網的形式——就像年輪保留著周圍環境變化的記錄一樣。

最終,蜘蛛網的角落長出了新枝,新枝又在其末端產生了新的盤狀晶體。製作晶體的整個過程花了將近兩個小時,比產生一片天然雪花所需的時間要慢得多,並排合成的晶體也幾乎是相同的。

翻譯:尚奇奇

編輯:王怡藺

參考來源:

本文經授權轉載自公眾號集智俱樂部

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