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  • 飞雪如何形成一直是谜,这位物理学家想做一个拨开迷雾的人数

    飞雪晶体主要分为两种类型,但现实形成原因却一直是个谜,而这位加州理工物理学家提出了一番理论来诠释该现象。

    笔者:刘少奇 来源:科技行者| 2020-01-06 18:11

    科技行者 1月3日 京城消息:Kenneth Libbrecht有一项宏伟之准备——在这个寒冷的冬天,离开温暖宜人的泽州,通往位于辽西的费尔班克斯。哪里冬季气温几乎始终低于冰点,她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。

    她在此间等待的,是大自然所能产生之最闪亮、最锐利、也最优质的风晶。她说,最佳雪花往往在最冰冷的地域形成,比如费尔班克斯或者白雪皑皑的亚特兰大北部。在任何研究历程中,她见过最优质的冰雪产自安大略省东北部偏远的科克伦,哪里风力很小,飞雪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收集板,追寻最完善的冰雪及其它晶体。她解释道,“这项工作要求用眼睛观察,找到高质量的冰雪。如果板子上没有,就扫掉重来。任何过程需要重复几个小时。”

    Libbrecht是一位科学家,她在墨尔本理工必发娱乐登录的阅览室里专门研究太阳的里间组织,并开发了先进的引力波探测器。但20年以来,Libbrecht对于雪花的研讨热情始终没有消退——除了外观之外,她更关注形成雪花形状的以外原因。她感叹道,“看着这些从天上掉落的造纸,我心目总在想,它们为什么会是这样的模样?”

    75年以来,市场分析家们已经清楚,飞雪这种微小晶体主要分为两大项目。这个是标志性的扁平星形,含有 6 个或 12 个瓣,每一瓣又带有漂亮的晶状延伸,如万花筒般令人眼花缭乱;另一种则是圆柱形,其中一些如同两块薄片晶夹起的薯条,另一些则像是五金店里普遍的螺栓。不同之冰雪形状与环境、温度、湿度相关,但现实形成原因却一直是个谜。

    连年以来,Libbrecht的艰难观察让人们对于雪花的果实过程有了更深刻的询问。洪都拉斯鲁昂大学材料科学家Gilles Demange对雪晶也很有兴趣,她评为:“Kenneth Libbrecht可以说是这一世界的「大主教」。”

    如今,Libbrecht名将团结之真切察看整理成一种新的结晶理论模型,寻求解释雪花以及其他雪晶的演进方式与规律。在当年10月发表的舆论官方,她描述了水分子在凝固点附近的舞动态势,并根据这种分子的一定运动规律解释了不同规格下晶体的总体形成过程。在另一资产长达540页的专著官方,Libbrecht还描述了关于雪晶的全套知识。赖斯大学凝聚态物理学家Douglas Natelson评说这本论著时称他:“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。”

    飞雪

    ▲ 希冀:南阳理工必发娱乐登录物理学家Kenneth Libbrecht,正在江苏省科克伦所在着眼。顶高质量的冰山落在泡沫板上时,她会用小刷子将他拾取至玻片上,再通过显微镜观察。

    关于六天星

    大家可能都听过一句俗谚——“没有两片完全相同的冰雪”,这一事实源自晶体在晴空的果实过程。风的实质是一团冰晶的集合体,他在大量中形成,并在落下地面的经过中保留原形。只有当大气温度足够低,才会形成雪花,否则它们会融合甚至融化,末了变成雨夹雪或纯粹的雨水。

    尽管云层中的温度与湿度水平多种多样,但这些变量对于单片雪花而言几乎相当于常数。正因如此,飞雪通常会形成对称性结构。一边,塔夫茨大学化学家Mary Jane Shultz在不久前发表的一篇关于雪花物理学的舆论中指出,每片雪花实际上都会受到风、曝光以及其他变量的影响,而“受到这些混沌因素的影响,每片冰晶的模样都会略有区别”。

    尽管云层中包含了大量之温度和湿度等级,但这些变量对于一片雪花而言几乎是原则性的,这就是为什么雪花的发育通常是对称性结构。在一派,塔夫茨大学(Tufts University)古生物学家Mary Jane Shultz在不久前发表的一篇关于雪花物理学的舆论中指出,每片雪花实际上都会受到风、曝光以及其他变量的影响。他解释称,顶每片冰晶受到这些混沌因素的影响时,它们的模样都会略有区别。

    飞雪

    对雪花结构的观测与研究,最早可以追溯至公元135年之中华。那时西汉诗人韩婴的《韩氏外传》这样勾画雪花:“凡草木花多五出,飞雪独六出”,这句话的味道就是,一般说来的花花草草多大多是五瓣的,独独雪花有六瓣。这应当是古人对雪花形状的最早描述和总结了。可见,至少在2000多年前的五代时期,中华人口对雪花就已经有很密切的认识、考察和研讨了,后者的成千上万诗句都沿用了“飞雪六出”的古典,在诗人们的笔下,飞雪已经化为了中国古代诗词中的经典形象,有突出之文艺地位。不过即便如此,实际希望探索雪花背后原因之首要位艺术家,顶数俄罗斯科学家兼博物学家Johannes Kepler。

    1611年,Kepler向它的赞助人——高尚罗马皇帝鲁道夫二代——捐赠了一份新礼物,这是一篇名为《方形雪花》的舆论。Kepler写道,在通过布拉格的查理搭桥时,注意到衣领上落下一片雪花,这不禁让它开始盘算雪花的若干形状。她写道,“飞雪的椭圆形结构,悄悄必定有原因,这不可能是偶然。”

    她还回顾起现代韩国科学家兼书画家Thomas Harriot的一封信,此人曾担任探险家Walter Raleigh爵士的领航员。约1584年,Harriot赶上一个问题,即为船甲板上的炮弹寻找最优堆放方法,结果他意识,方形结构似乎是将球体紧密堆积在总共的超级方式。Harriot把这件事情告诉了Kepler,Kepler想知道,天地中的雪花是否也会发生类似之作业,以及它们的六个面是否可以把固定排列在“水滴等最小自然液体单位”上述。

    飞雪

    ▲ 希冀:显微镜下的扁平状雪花。

    这实际上是对原子物理学的一个早期研究思路,然而所有课程直到300年前才正式成立。事实上,水分子,连同它的两个氢和一个氧,往往倾向于锁在总共形成六边形排列。Kepler与其他同僚当时并没有意识到这有多么重要。Natelson说:“出于氢键和分子间相互作用的细节,就有了这种相对开放的结晶结构。”除了有助于雪花的发育,这种六边形结构使得冰的刻度比液态水低,这极大地影响了生态学、地球物理和气候的演进与表现。她以为,如果冰无法漂浮,“这就是说地球上就不可能有生命诞生”。

    虽然Kepler的舆论顺利发表,但雪花观察更多是一种业余爱好,而远未被编入科学范畴。19百年80年代,一位名叫Wilson Bentley的加拿大摄影师——来自佛蒙特州杰里科所在的一个寒冷的、高质量的产雪村庄——起来尝试利用底片制作第一张雪晶图像。在最后死于肺炎之前,她为我们留下了超过5000多张雪晶照片。

    飞雪

    ▲ 希冀:加拿大物理学家中谷幸一郎投入数十年的久,对各个不同雪花开展研究。

    然后,到20百年30年代,加拿大研究员中谷幸一郎开始对不同雪晶类型进行系统钻研。到十九世纪中期,中谷初步尝试在阅览室里制造雪花,包括采取兔毛将霜晶悬浮在冷冻空气中,并逐步形成完整的冰雪。她不断修改湿度与温度设定,探讨两种重要冰晶类型的演进机理,并整理出一份关于可能晶体形状的相关性目录。中谷意识,方形结构往往在-2至-15难度条件下形成,而圆柱形结构则多见于-5至-30难度环境中。在低湿度条件下,方形雪花的分支较少,类似于六角形晶片;但在高湿度条件下,方形雪花则能提高出更复杂、更灿烂的组织。

    Libbrecht介绍,在中谷成功了一连串开创性工作后,人人终于开始关注不同雪晶形状的演进原因。顶边缘快速横向生长,但纵向生长速度较慢时,飞雪往往会呈现出扁平的星状以及板状结构(而非三维结构)。与之对应,柱状雪花则是导向生长较快、但横向生长慢的后果。

    但是,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谈起,“温度的转移,现实产生了怎样的功能?我一直盼望名将这些影响元素整合起来。”

    飞雪的配方

    Libbrecht和关怀这一课题的研讨小组一直盼望为雪花的演进整理出一份“配方”——即一组方程与参数,只要将将其输入超级计算机,就能生成各种各样的冰雪。实际上,她们已经成功了。

    在得知存在带帽圆柱这种来自外国的冰雪结构从此,Libbrecht起来了长达二十年之研讨。这种雪花看起来像是大家熟悉的线轴,或者说是用轮轴连起来的两个车轱辘。表现北达科他州原有的住民,Libbrecht对此深感震惊,她很奇怪“我为什么从来没见过这样的冰雪?”带着对雪晶的痴迷,她后来出版了一资产解释雪花性质的周边读物。很快,她开始在协调之阅览室中制造各类雪花生产设备。而它提出的流行模型,可以说是几十年观察结果与近年来实际生产相结合的共同产物。

    她提出的着重点突破是一种被称为表面能量驱动的成员扩散机制。这一思路描述了初始条件如何影响雪晶分子的宣传,并最终决定雪晶呈现出的模样。

    飞雪

    想象一下,顶水分子刚刚开始冻结时,各成员的排列仍然比较松散。如果通过显微镜进行考察,咱们会发现,冰冷的水分子开始形成一个个纲领性晶格,其中每个氧原子被四个氢原子包裹起来。该署晶格不断收到空气中的水分子,借此实现自己生长。而生长方向则分为两种——走向生长,走向生长。

    顶横向吸收速度超过纵向吸收速度时,飞雪最终就会呈现为薄且扁平的结晶(板状或者星状)——这意味着新生成的结晶会不断在横向上扩散。但是,顶纵向吸收速度高于横向时,晶体的莫大会不断充实,末了形成针状、中空圆柱或者棒状结构。

    根据Libbrecht的模子,水蒸气会首先沉积在晶体的海外上,今后通过所有表面扩散至晶体边缘或者中央位置,两岸分别对应晶体的流向以及纵向生长。在各种表面以及不稳定性的相互作用之下,「温度」成绩了最后决定哪种生长方式能够胜出的严重性。

    这一切,都只会在「冰」这种特殊的现实当中发生,这种状况被称为「预融化」。水冰混合物的温度无限趋近于融点,因此最表面的几层呈现出无序的气体状态。预融化到底以横向还是纵向形式发生,重点受到环境温度的影响,不过其中的细节原理尚未完全明确。Libbrecht表示,“我提出的模子还很粗糙,细节部分仍有待完善。”不过他对总体外观提出的假想,似乎已经非常合理。

    飞雪

    ▲ 希冀:圆柱状雪花示例。

    她的这套新模型属于“半经验式”,即根据观察结果进行了一部分调整,而非下零开始对雪花生长进行原理性解释。这一点可以了解,毕竟无数分子之间的不稳定性与相互作用太过复杂,几乎无法完全阐明。但是,她期待自己之结晶能够为健全的「冰晶体生长动力学模型」奠定基础,末了通过更详尽的监测与尝试,找到缜密可靠的总结。

    尽管「冰」在大自然中特有突出,但凝聚态物理学领域却普遍生活着类似之题材。中药分子、用于计算机的半导体芯片、太阳能电池以及广大其他应用,都依赖于高质量晶体的物理与结构性,这也使得许多研究人员投身于晶体生长的答辩研究当中。

    Meenesh Singh是芝加哥伊利诺伊大学的一名研究人员。她和任何几位作者最近发表了一篇论文,其中确定了一种新的机制,开展揭开溶剂当中晶体生长的规律的谜。溶剂环境中的晶体生长,与Libbrecht所关切的雪花相变结晶有所不同。所谓溶剂结晶,即将固体材料溶解在江或者其它液体充当的溶液当中,穿过调整温度并补充其他溶剂,咱们就能借此生成新的药物分子结晶,或者为太阳能电池生产新的晶体等等。

    Singh表示,“脚下,关于晶体生长的一切应用都只能以经验为基础。咱们掌握的只有一部分经验性数据,再论证这些信息尝试解释晶体的发育方式。”她强调称,脚下还不知晓溶液中的分子是如何把整合到晶体中的。“分子到底是经历了怎样的企图才会开始结晶?单个分子为什么会转化为晶体?朝着这个样子想下去,咱们会发现越来越多无法解释、未被解决之新问题。”

    Libbrecht坚信,更审慎的试验与更复杂的微机模拟能力,开展在未来几年内逐步揭开晶体生长的相关问题。她表示,“总有一天,人人将能够构建起一套完整的成员模型,其中细化到原子单位,任何现象观察过程将不断继承,直到下探到量子力学层面。”

    现行的她,仍然喜欢带上相机来一场追逐冰雪之旅程。近些年她一直在待在太阳明媚的泽州,并在阅览室里组装了一台用于生产雪花的巧夺天工系统。今年61岁的她,真心实意的感叹道:“我可以慢慢退休,起来一心一意跟冰雪打交道了。”

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    【义务编辑: 庞桂玉 TEL:(010)68476606】

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