科技行者 1月3日 北京消息：Kenneth Libbrecht有一項(xiàng)宏偉的計(jì)劃——在這個(gè)寒冷的冬季，離開溫暖宜人的南加州，前往位于阿拉斯加的費(fèi)爾班克斯。那里冬季氣溫幾乎始終低于冰點(diǎn)，他穿上厚厚的派克大衣，捧著照相機(jī)外加一塊泡沫板，席地而坐，靜候天降大雪。

他在這里等待的，是自然界所能產(chǎn)生的最閃亮、最銳利、也最漂亮的雪晶。他說，超級(jí)雪花往往在最寒冷的地區(qū)形成，比如費(fèi)爾班克斯或者白雪皚皚的紐約州北部。在整個(gè)研究歷程中，他見過最優(yōu)質(zhì)的雪花產(chǎn)自安大略省東北部偏遠(yuǎn)的科克倫，那里風(fēng)力很小，雪花幾乎是直接從云層中掉落下來。

Libbrecht身處自然環(huán)境中，像考古學(xué)家一樣耐心地審視著這塊收集板，尋找最完美的雪花及其他晶體。他解釋道，“這項(xiàng)工作需要用肉眼觀察，找到高質(zhì)量的雪花。如果板子上沒有，就掃掉重來。整個(gè)過程需要重復(fù)幾個(gè)小時(shí)。”

Libbrecht是一位物理學(xué)家，他在加州理工學(xué)院的實(shí)驗(yàn)室里專門研究太陽的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并開發(fā)了先進(jìn)的引力波探測(cè)器。但20年以來，Libbrecht對(duì)于雪花的研究熱情始終沒有消退——除了外觀之外，他更關(guān)注形成雪花形狀的內(nèi)在原因。他感慨道，“看著這些從天上掉落的造物，我心里總在想，它們?yōu)槭裁磿?huì)是這樣的形狀？”

75年以來，物理學(xué)家們已經(jīng)知道，雪花這種微小晶體主要分為兩大類型。其一是標(biāo)志性的扁平星形，含有 6 個(gè)或 12 個(gè)瓣，每一瓣又帶有漂亮的晶狀延伸，如萬花筒般令人眼花繚亂；另一種則是圓柱形，其中一部分如同兩塊薄片晶夾起的三明治，另一部分則像是五金店里常見的螺栓。不同的雪花形狀與環(huán)境、溫度、濕度相關(guān)，但具體形成原因卻一直是個(gè)謎。

多年以來，Libbrecht的艱苦觀察讓人們對(duì)于雪花的結(jié)晶過程有了更深入的了解。法國魯昂大學(xué)材料科學(xué)家Gilles Demange對(duì)雪晶也很有興趣，他評(píng)價(jià)：“Kenneth Libbrecht可以說是這一領(lǐng)域的「教主」。”

現(xiàn)在，Libbrecht將自己的實(shí)地觀察整理成一種新的結(jié)晶理論模型，力求解釋雪花以及其他雪晶的形成方式與規(guī)律。在今年10月發(fā)表的論文中，他描述了水分子在凝固點(diǎn)附近的舞動(dòng)態(tài)勢(shì)，并根據(jù)這種分子的特定運(yùn)動(dòng)規(guī)律解釋了不同條件下晶體的整個(gè)形成過程。在另一本長(zhǎng)達(dá)540頁的專著中，Libbrecht還描述了關(guān)于雪晶的全部知識(shí)。賴斯大學(xué)凝聚態(tài)物理學(xué)家Douglas Natelson評(píng)論這本論著時(shí)稱其：“如環(huán)法自行車賽般充滿艱辛。”

Natelson總結(jié)道，“不容易，但這項(xiàng)成果真的太棒了。”

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▲ 圖：加州理工學(xué)院物理學(xué)家Kenneth Libbrecht，正在安大略省科克倫地區(qū)考察。當(dāng)高質(zhì)量的冰晶落在泡沫板上時(shí)，他會(huì)用小刷子將其拾取至玻片上，再通過顯微鏡觀察。

關(guān)于六角星

大家可能都聽過一句俗諺——“沒有兩片完全相同的雪花”，這一事實(shí)源自晶體在空中的結(jié)晶過程。雪的本質(zhì)是一團(tuán)冰晶的集合體，它在大氣中形成，并在落下地面的過程中保留原形。只有當(dāng)大氣溫度足夠低，才會(huì)形成雪花，否則它們會(huì)融合甚至融化，最終變成雨夾雪或純粹的雨滴。

盡管云層中的溫度與濕度水平多種多樣，但這些變量對(duì)于單片雪花而言幾乎相當(dāng)于常數(shù)。正因如此，雪花通常會(huì)形成對(duì)稱性結(jié)構(gòu)。另一方面，塔夫茨大學(xué)化學(xué)家Mary Jane Shultz在最近發(fā)表的一篇關(guān)于雪花物理學(xué)的論文中指出，每片雪花實(shí)際上都會(huì)受到風(fēng)、曝光以及其他變量的影響，而“受到這些混沌因素的影響，每片冰晶的形狀都會(huì)略有區(qū)別”。

盡管云層中包含了大量的溫度和濕度等級(jí)，但這些變量對(duì)于一片雪花而言幾乎是恒定的，這就是為什么雪花的生長(zhǎng)通常是對(duì)稱性結(jié)構(gòu)。在另一方面，塔夫茨大學(xué)（Tufts University）化學(xué)家Mary Jane Shultz在最近發(fā)表的一篇關(guān)于雪花物理學(xué)的論文中指出，每片雪花實(shí)際上都會(huì)受到風(fēng)、曝光以及其他變量的影響。她解釋稱，當(dāng)每片冰晶受到這些混沌因素的影響時(shí)，它們的形狀都會(huì)略有區(qū)別。

對(duì)雪花結(jié)構(gòu)的觀察與研究，最早可以追溯至公元前135年的中國。當(dāng)時(shí)西漢詩人韓嬰的《韓氏外傳》這樣描寫雪花：“凡草木花多五出，雪花獨(dú)六出”，這句話的意思就是，普通的花花草草多大多是五瓣的，獨(dú)獨(dú)雪花有六瓣。這應(yīng)該是古人對(duì)雪花形狀的最早描述和總結(jié)了。可見，至少在2000多年前的西漢時(shí)期，中國人對(duì)雪花就已經(jīng)有很細(xì)致的認(rèn)識(shí)、觀察和研究了，后世的許多詩句都沿用了“雪花六出”的典故，在詩人們的筆下，雪花已經(jīng)成為了中國古代詩詞中的經(jīng)典形象，有獨(dú)特的文學(xué)地位。不過即便如此，真正希望探索雪花背后原因的第一位科學(xué)家，當(dāng)數(shù)德國科學(xué)家兼博物學(xué)家Johannes Kepler。

1611年，Kepler向他的贊助人——神圣羅馬皇帝魯?shù)婪蚨?mdash;—贈(zèng)送了一份新禮物，這是一篇名為《六角形雪花》的論文。Kepler寫道，在通過布拉格的查理大橋時(shí)，注意到衣領(lǐng)上落下一片雪花，這不禁讓他開始思考雪花的幾何形狀。他寫道，“雪花的六角形結(jié)構(gòu)，背后必定有原因，這不可能是偶然。”

他還回想起當(dāng)代英國科學(xué)家兼天文學(xué)家Thomas Harriot的一封信，此人曾擔(dān)任探險(xiǎn)家Walter Raleigh爵士的領(lǐng)航員。約1584年，Harriot遇上一個(gè)問題，即為船甲板上的炮彈尋找最優(yōu)堆放方法，結(jié)果他發(fā)現(xiàn)，六角形結(jié)構(gòu)似乎是將球體緊密堆積在一起的最佳方式。Harriot把這件事情告訴了Kepler，Kepler想知道，自然界中的雪花是否也會(huì)發(fā)生類似的事情，以及它們的六個(gè)面是否可以被固定排列在“水滴等最小自然液體單位”之上。

▲ 圖：顯微鏡下的扁平狀雪花。

這實(shí)際上是對(duì)原子物理學(xué)的一個(gè)早期研究思路，然而整個(gè)學(xué)科直到300年前才正式成立。事實(shí)上，水分子，連同它的兩個(gè)氫和一個(gè)氧，往往傾向于鎖在一起形成六邊形排列。Kepler與其他同僚當(dāng)時(shí)并沒有意識(shí)到這有多么重要。Natelson說：“由于氫鍵和分子間相互作用的細(xì)節(jié)，就有了這種相對(duì)開放的晶體結(jié)構(gòu)。”除了有助于雪花的生長(zhǎng)，這種六邊形結(jié)構(gòu)使得冰的密度比液態(tài)水低，這極大地影響了地球化學(xué)、地球物理和氣候的形成與表現(xiàn)。他認(rèn)為，如果冰無法漂浮，“那么地球上就不可能有生命誕生”。

雖然Kepler的論文順利發(fā)表，但雪花觀察更多是一種業(yè)余愛好，而遠(yuǎn)未被納入科學(xué)范疇。19世紀(jì)80年代，一位名叫Wilson Bentley的美國攝影師——來自佛蒙特州杰里科地區(qū)的一個(gè)寒冷的、高質(zhì)量的產(chǎn)雪村莊——開始嘗試?yán)玫灼谱鞯谝粡堁┚D像。在最終死于肺炎之前，他為我們留下了超過5000多張雪晶照片。

▲ 圖：日本物理學(xué)家中谷幸一郎投入數(shù)十年之久，對(duì)各類不同雪花開展研究。

接下來，到20世紀(jì)30年代，日本研究員中谷幸一郎開始對(duì)不同雪晶類型進(jìn)行系統(tǒng)研究。到十九世紀(jì)中葉，中谷開始嘗試在實(shí)驗(yàn)室里制造雪花，包括使用兔毛將霜晶懸浮在冷凍空氣中，并逐步形成完整的雪花。他不斷修改濕度與溫度設(shè)定，探索兩種主要冰晶類型的形成機(jī)理，并整理出一份關(guān)于可能晶體形狀的開創(chuàng)性目錄。中谷發(fā)現(xiàn)，星形結(jié)構(gòu)往往在-2至-15攝氏度條件下形成，而圓柱形結(jié)構(gòu)則多見于-5至-30攝氏度環(huán)境中。在低濕度條件下，星形雪花的分支較少，類似于六角形晶片；但在高濕度條件下，星形雪花則能發(fā)展出更復(fù)雜、更燦爛的結(jié)構(gòu)。

Libbrecht介紹，在中谷完成了一系列開創(chuàng)性工作之后，人們終于開始關(guān)注不同雪晶形狀的形成原因。當(dāng)邊緣快速橫向生長(zhǎng)，但縱向生長(zhǎng)速度較慢時(shí)，雪花往往會(huì)呈現(xiàn)出扁平的星狀以及板狀結(jié)構(gòu)（而非三維結(jié)構(gòu)）。與之對(duì)應(yīng)，柱狀雪花則是縱向生長(zhǎng)較快、但橫向生長(zhǎng)慢的產(chǎn)物。

但是，決定雪晶到底是星形還是柱形的潛在原子過程仍然不為人知。Libbrecht提到，“溫度的變化，具體產(chǎn)生了怎樣的效應(yīng)？我一直希望將這些影響元素整合起來。”

雪花的配方

Libbrecht和關(guān)注這一課題的研究小組一直希望為雪花的形成整理出一份“配方”——即一組方程與參數(shù)，只要將將其輸入超級(jí)計(jì)算機(jī)，就能生成各種各樣的雪花。實(shí)際上，他們已經(jīng)成功了。

在意識(shí)到存在帶帽圓柱這種來自異國的雪花結(jié)構(gòu)之后，Libbrecht開始了長(zhǎng)達(dá)二十年的研究。這種雪花看起來像是大家熟悉的線軸，或者說是用輪軸連起來的兩個(gè)輪子。作為北達(dá)科他州土生土長(zhǎng)的住民，Libbrecht對(duì)此感到震驚，他很好奇“我為什么從來沒見過這樣的雪花？”帶著對(duì)雪晶的癡迷，他隨后出版了一本解釋雪花性質(zhì)的科普讀物。很快，他開始在自己的實(shí)驗(yàn)室中制造各類雪花生產(chǎn)設(shè)備。而他提出的最新模型，可以說是幾十年觀察結(jié)果與近年來實(shí)際生產(chǎn)相結(jié)合的共同產(chǎn)物。

他提出的關(guān)鍵性突破是一種被稱為表面能量驅(qū)動(dòng)的分子擴(kuò)散機(jī)制。這一思路描述了初始條件如何影響雪晶分子的活動(dòng)，并最終決定雪晶呈現(xiàn)出的形狀。

想象一下，當(dāng)水分子剛剛開始凍結(jié)時(shí)，各分子的排列仍然比較松散。如果通過顯微鏡進(jìn)行觀察，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，冰冷的水分子開始形成一個(gè)個(gè)剛性晶格，其中每個(gè)氧原子被四個(gè)氫原子包裹起來。這些晶格不斷吸收空氣中的水分子，借此實(shí)現(xiàn)自我生長(zhǎng)。而生長(zhǎng)方向則分為兩種——橫向生長(zhǎng)，縱向生長(zhǎng)。

當(dāng)橫向吸收速度超過縱向吸收速度時(shí)，雪花最終就會(huì)呈現(xiàn)為薄且扁平的晶體（板狀或者星狀）——這意味著新生成的晶體會(huì)不斷在橫向上擴(kuò)散。但是，當(dāng)縱向吸收速度高于橫向時(shí)，晶體的高度會(huì)不斷增加，最終形成針狀、空心圓柱或者棒狀結(jié)構(gòu)。

根據(jù)Libbrecht的模型，水蒸氣會(huì)首先沉積在晶體的角上，而后通過整個(gè)表面擴(kuò)散至晶體邊緣或者中央位置，二者分別對(duì)應(yīng)晶體的橫向以及縱向生長(zhǎng)。在各種表面以及不穩(wěn)定性的相互作用之下，「溫度」成了最終決定哪種生長(zhǎng)方式能夠勝出的關(guān)鍵。

這一切，都只會(huì)在「冰」這種非同尋常的物質(zhì)當(dāng)中發(fā)生，這種現(xiàn)象被稱為「預(yù)融化」。水冰混合物的溫度無限趨近于融點(diǎn)，因此最表面的幾層呈現(xiàn)出無序的液體狀態(tài)。預(yù)融化到底以橫向還是縱向形式發(fā)生，主要受到環(huán)境溫度的影響，不過其中的細(xì)節(jié)原理尚未完全明確。Libbrecht表示，“我提出的模型還很粗糙，細(xì)節(jié)部分仍有待完善。”不過他對(duì)整體外觀提出的假設(shè)，似乎已經(jīng)非常合理。

▲ 圖：圓柱狀雪花示例。

他的這套新模型屬于“半經(jīng)驗(yàn)式”，即根據(jù)觀察結(jié)果進(jìn)行了部分調(diào)整，而非從零開始對(duì)雪花生長(zhǎng)進(jìn)行原理性解釋。這一點(diǎn)可以理解，畢竟無數(shù)分子之間的不穩(wěn)定性與相互作用太過復(fù)雜，幾乎無法完全闡明。但是，他希望自己的成果能夠?yàn)槿娴摹副w生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型」奠定基礎(chǔ)，最終通過更詳盡的測(cè)量與實(shí)驗(yàn)，找到縝密可靠的結(jié)論。

盡管「冰」在自然界中非常特殊，但凝聚態(tài)物理學(xué)領(lǐng)域卻普遍存在著類似的問題。藥物分子、用于計(jì)算機(jī)的半導(dǎo)體芯片、太陽能電池以及無數(shù)其他應(yīng)用，都依賴于高質(zhì)量晶體的物理與化學(xué)性質(zhì)，這也使得無數(shù)研究人員投身于晶體生長(zhǎng)的理論研究當(dāng)中。

Meenesh Singh是芝加哥伊利諾伊大學(xué)的一名研究人員。他和其他幾位作者最近發(fā)表了一篇論文，其中確定了一種新的機(jī)制，有望揭開溶劑當(dāng)中晶體生長(zhǎng)的原理之謎。溶劑環(huán)境中的晶體生長(zhǎng)，與Libbrecht所關(guān)注的冰雪相變結(jié)晶有所不同。所謂溶劑結(jié)晶，即將固體材料溶解在水或者其他液體充當(dāng)?shù)娜芤寒?dāng)中，通過調(diào)節(jié)溫度并添加其他溶劑，我們就能借此生成新的藥物分子結(jié)晶，或者為太陽能電池生產(chǎn)新的晶體等等。

Singh表示，“目前，關(guān)于晶體生長(zhǎng)的所有應(yīng)用都只能以經(jīng)驗(yàn)為基礎(chǔ)。我們掌握的只有部分經(jīng)驗(yàn)性數(shù)據(jù)，再根據(jù)這些信息嘗試解釋晶體的生長(zhǎng)方式。”他強(qiáng)調(diào)稱，目前還不清楚溶液中的分子是如何被整合到晶體中的。“分子到底是經(jīng)歷了怎樣的作用才會(huì)開始結(jié)晶？單個(gè)分子為什么會(huì)轉(zhuǎn)化為晶體？朝著這個(gè)方向想下去，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)越來越多無法解釋、未被解決的新問題。”

Libbrecht堅(jiān)信，更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)與更復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模擬能力，有望在未來幾年內(nèi)逐步揭開晶體生長(zhǎng)的相關(guān)難題。他表示，“總有一天，人們將能夠構(gòu)建起一套完整的分子模型，其中細(xì)化到原子單位，整個(gè)現(xiàn)象觀察過程將不斷持續(xù)，直到下探到量子力學(xué)層面。”

如今的他，仍然喜歡帶上相機(jī)來一場(chǎng)追逐冰雪的旅程。最近他一直在待在陽光明媚的南加州，并在實(shí)驗(yàn)室里組裝了一臺(tái)用于生產(chǎn)雪花的精密系統(tǒng)。現(xiàn)年61歲的他，由衷的感慨道：“我可以慢慢退休，開始一心一意跟冰雪打交道了。”