肯尼斯·利布雷希特（Kenneth Librecht）是乙個奇怪的人，他在隆冬時節愉快地離開了溫暖的美國南加州，前往美國最北端的阿拉斯加。 在那裡，他穿上棉大衣，拿著相機和泡沫板坐在田野裡，等待雪落下。
具體來說，他正在尋找大自然可以產生的最清晰、最美麗的雪花。 這些雪花往往在最冷的地方形成。 萊布雷希特是一位研究天體的物理學家，但他有乙個愛好——研究雪花，不僅是它們的外觀，還有它們的形成。
雪花比我們想象的要複雜和神秘得多。 為了解開這個謎團，利布雷希特探索了20年，終於解開了雪花形成之謎。
為什麼冰晶是六邊形的？
雪晶是大氣中水蒸氣結晶形成的一組冰晶，冰晶是構成雪花的基本單位。
大家都知道，沒有兩片雪花是完全一樣的。 這一事實源於高海拔地區冰晶的形成方式。 雖然在同一朵雲中到處都有溫度和濕度的差異，但在形成雪花的小區域中，這些差異可以忽略不計。 這就是為什麼冰晶的生長通常是對稱的。 另一方面，由於風、陽光和墜落過程中碰撞等變化因素的影響，每片雪花落到地面時都會呈現出略有不同的形狀。
雖然沒有兩片雪花是完全相同的，但冰晶的形狀是有規律的。 例如，冰晶總是六邊形的。 為什麼會這樣？ 我們現在知道水分子由兩個氫原子和乙個氧原子組成。 由於相鄰水分子中的兩個氫原子往往通過氫鍵連線，因此它們往往會鎖定在一起，形成以氧原子為角的六邊形陣列。 該陣列具有向四面八方開放的結構，因此它可以不斷生長，最終形成雪花。
在六邊形結構中，水分子之間的平均距離大於液態的平均距離，因此這也使得冰的密度低於液態水。 這極大地影響了地球的環境。 如果冰沒有漂浮在水面上，地球上的生命就不會存在。
雪花主要有兩種型別
雪花是由冰晶生長而成的。 冰晶既可以橫向生長，也可以垂直生長。 它就像乙個六角形的地磚，可以展開或堆疊。 一般來說，冰晶的生長在兩個方向上同時發生，但有快慢運動之分。 根據哪個方向生長得更快，雪花主要有兩種型別：片狀和柱狀。 對於其他型別，它基本上是兩種型別的組合（例如線軸、中間的柱狀、兩側的薄片），或新增一些蕾絲。
有趣的是，在生長過程中，冰晶會根據周圍的溫度和濕度不斷調整其生長策略：薄片在-2左右形成，柱狀在-5左右形成，然後在-15左右再次形成薄片，柱狀......再次在 -30在低濕度下，蕾絲很簡單; 在高濕度下，蕾絲很複雜。
那麼，為什麼冰晶會隨著溫度的變化而調整它們的生長策略呢？ 決定冰晶生長成薄片或柱狀的原子過程是什麼？
李布雷希特試圖解開這些謎團。 二十多年來，他一直試圖為冰晶的生長建立乙個統一的模型。 他的夢想是，通過在模型中輸入一組引數，如溫度和濕度，計算機將能夠顯示我們實際看到的各種五顏六色的雪花圖案。 現在，他的目標已經基本實現。
雪花的生長模型
為了觀察冰晶的生長，利布雷希特通過精確控制溫度和壓力等條件，在密閉容器中創造輪廓清晰、色彩鮮豔的雪花。 在大多數情況下，它們比人類的頭髮還小，只能在顯微鏡下觀察。 因為如果它們變得太大，形狀就會太複雜而不容易研究。
在廣泛的觀察和實驗的基礎上，李布雷希特最終發展了一種“表面能驅動的分子擴散模型”來描述冰晶的生長。
這個模型有點複雜，這裡不方便贅述。 但為了給你乙個粗略的想法，讓我們想象一下，當水蒸氣第一次開始冷凝時，冷凝的水分子開始形成乙個剛性晶格，每個氧原子被 4 個氫原子包圍。 這個晶格將通過從周圍空氣中拉入水分子以形成更多的晶格來生長。 它們可以向各個方向擴充套件，也可以向上和向下擴充套件。 那麼，它會選擇什麼策略呢？ 這取決於晶體表面可以最小化的情況。
對於表面能，我們不妨將其理解為具有張力的表面的張力勢能。 例如，氣球的表面是有彈性的，當氣球充氣時，只有當它呈球形時，其張力勢能最低。 這就是為什麼氣球既不是方形也不是菱形，而是球形的原因。
同樣，冰晶也具有表面能。 冰晶的表面能受溫度、壓力等因素的影響，決定了它們在不同溫度和壓力條件下會長成什麼形狀。 例如，在非常高的壓力下，我們只會得到薄薄的片狀晶體，而柱狀晶體不會出現。
Librecht的模型不僅幫助我們解開了雪花形狀的奧秘，也為研究其他晶體的生長提供了重要的見解。 結晶是工業中常用的手段。 藥物分子、半導體晶元、太陽能電池和無數其他應用都依賴於結晶產生的高質量晶體。