肯尼斯·利布雷希特（Kenneth Librecht）是一个奇怪的人，他在隆冬时节愉快地离开了温暖的美国南加州，前往美国最北端的阿拉斯加。 在那里，他穿上棉大衣，拿着相机和泡沫板坐在田野里，等待雪落下。
具体来说，他正在寻找大自然可以产生的最清晰、最美丽的雪花。 这些雪花往往在最冷的地方形成。 莱布雷希特是一位研究天体的物理学家，但他有一个爱好——研究雪花，不仅是它们的外观，还有它们的形成。
雪花比我们想象的要复杂和神秘得多。 为了解开这个谜团，利布雷希特探索了20年，终于解开了雪花形成之谜。
为什么冰晶是六边形的？
雪晶是大气中水蒸气结晶形成的一组冰晶，冰晶是构成雪花的基本单位。
大家都知道，没有两片雪花是完全一样的。 这一事实源于高海拔地区冰晶的形成方式。 虽然在同一朵云中到处都有温度和湿度的差异，但在形成雪花的小区域中，这些差异可以忽略不计。 这就是为什么冰晶的生长通常是对称的。 另一方面，由于风、阳光和坠落过程中碰撞等变化因素的影响，每片雪花落到地面时都会呈现出略有不同的形状。
虽然没有两片雪花是完全相同的，但冰晶的形状是有规律的。 例如，冰晶总是六边形的。 为什么会这样？ 我们现在知道水分子由两个氢原子和一个氧原子组成。 由于相邻水分子中的两个氢原子往往通过氢键连接，因此它们往往会锁定在一起，形成以氧原子为角的六边形阵列。 该阵列具有向四面八方开放的结构，因此它可以不断生长，最终形成雪花。
在六边形结构中，水分子之间的平均距离大于液态的平均距离，因此这也使得冰的密度低于液态水。 这极大地影响了地球的环境。 如果冰没有漂浮在水面上，地球上的生命就不会存在。
雪花主要有两种类型
雪花是由冰晶生长而成的。 冰晶既可以横向生长，也可以垂直生长。 它就像一个六角形的地砖，可以展开或堆叠。 一般来说，冰晶的生长在两个方向上同时发生，但有快慢运动之分。 根据哪个方向生长得更快，雪花主要有两种类型：片状和柱状。 对于其他类型，它基本上是两种类型的组合（例如线轴、中间的柱状、两侧的薄片），或添加一些蕾丝。
有趣的是，在生长过程中，冰晶会根据周围的温度和湿度不断调整其生长策略：薄片在-2左右形成，柱状在-5左右形成，然后在-15左右再次形成薄片，柱状......再次在 -30在低湿度下，蕾丝很简单; 在高湿度下，蕾丝很复杂。
那么，为什么冰晶会随着温度的变化而调整它们的生长策略呢？ 决定冰晶生长成薄片或柱状的原子过程是什么？
李布雷希特试图解开这些谜团。 二十多年来，他一直试图为冰晶的生长建立一个统一的模型。 他的梦想是，通过在模型中输入一组参数，如温度和湿度，计算机将能够显示我们实际看到的各种五颜六色的雪花图案。 现在，他的目标已经基本实现。
雪花的生长模型
为了观察冰晶的生长，利布雷希特通过精确控制温度和压力等条件，在密闭容器中创造轮廓清晰、色彩鲜艳的雪花。 在大多数情况下，它们比人类的头发还小，只能在显微镜下观察。 因为如果它们变得太大，形状就会太复杂而不容易研究。
在广泛的观察和实验的基础上，李布雷希特最终发展了一种“表面能驱动的分子扩散模型”来描述冰晶的生长。
这个模型有点复杂，这里不方便赘述。 但为了给你一个粗略的想法，让我们想象一下，当水蒸气第一次开始冷凝时，冷凝的水分子开始形成一个刚性晶格，每个氧原子被 4 个氢原子包围。 这个晶格将通过从周围空气中拉入水分子以形成更多的晶格来生长。 它们可以向各个方向扩展，也可以向上和向下扩展。 那么，它会选择什么策略呢？ 这取决于晶体表面可以最小化的情况。
对于表面能，我们不妨将其理解为具有张力的表面的张力势能。 例如，气球的表面是有弹性的，当气球充气时，只有当它呈球形时，其张力势能最低。 这就是为什么气球既不是方形也不是菱形，而是球形的原因。
同样，冰晶也具有表面能。 冰晶的表面能受温度、压力等因素的影响，决定了它们在不同温度和压力条件下会长成什么形状。 例如，在非常高的压力下，我们只会得到薄薄的片状晶体，而柱状晶体不会出现。
Librecht的模型不仅帮助我们解开了雪花形状的奥秘，也为研究其他晶体的生长提供了重要的见解。 结晶是工业中常用的手段。 药物分子、半导体芯片、太阳能电池和无数其他应用都依赖于结晶产生的高质量晶体。