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雪花并非单调六边形:共39种一般形状(图)

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北京时间9日消息,长期以来,大家都认为至少在分子水平上,雪花只有一种形状。但科学家们发现,雪花实际上能够被分成39种一般形状。这些一般形状包括柱状晶体、不规则雪花粒子和平面晶体(传统意义上六边形雪花的组成成分),具体产生何种形状则依赖于温度和湿度。

英国伯恩茅斯的化学教师Andy Brunning,基于最近的研究绘出了一个信息表图来展示这些不同形状,他将这张图上传到了自己名叫“Compound Interest”的博客。这张图展示了39种雪花的形状及对应名字,39种雪花可以细分为121种。

Andy Brunning说,尽管科学家一直试图推导雪花形状形成的物理公式,但我们现在仍然不清楚雪花的形状到底受哪些因素影响。不过总体来讲,低湿度下更容易形成冰晶这类的简单雪花,而高湿度下,则更容易形成平面晶体这类雪花。

关于雪花形成的最新研究来自日本北海道的北见理工研究所,他们将雪花分成了3个层次:综合,中间,初级。

综合层次上,雪花被分成了8大类:柱状晶体,平面晶体(大部分人所认为的),柱状、平面混合晶体,雪晶聚合物,霜化雪晶,冰晶芽,不规则粒子(看起来像蕨类植物)。中间层次上,则被分成了39种(如图)。初级层次的种类划分则可以解释雪晶的种类从1930年的21种,增加到到1950年的42种,1960年的80种,直到2013年的121种。

科学家为什么要研究雪花?有两个目的,首先是了解雪花的构成,其次是探究如何将雪花的晶体结构应用到其它地方(硅和半导体)。雪花研究属于结晶学,结晶学用于探究晶体结构,它能帮助化学家判断固体中的原子结构。结晶学研究过程中会向样本固体发射X射线,X射线在经过固体时会被里面的原子衍射。科学家通过研究衍射的模式就能得到固体的分子结构。早在沃森和克里克确定DNA结构前,富兰克林(Rosalind Franklin)就用这种技术拍摄了dna的双螺旋结构。

雪花的产生:精致晶体形成的美妙过程

去年,俄罗斯视频制造人Vyacheslav Ivanov 通过显微镜,拍摄了2分钟的“微延时”短片来揭示六边形冰晶的形成过程。

美国海洋大气管理局(NOAA)这样解释雪花形成过程,当一小滴水在花粉或者灰尘上冻结形成鳞状物后,就会形成冰晶。然后更多的水分子就会依附到冰晶上,并在六个方向不断延展从而形成了六边形。组成雪花的冰晶是对称的,它们在事先决定的空间形成六边形雪花的过程反映了水分子的内部结构。有些雪花甚至会有6条对称线,原因在于水分子晶体存在氢键。

iO9则这样解释,当水结冰时,连在一起的水分子就会结晶形成六边形显微结构,六边形的每个顶点上都是两组氢氧原子对连到一个氧原子的两边。结冰过程中,越来越多的水分子加入到这个显微结构中,导致显微结构分别在它的六个方向扩展,最后形成了雪花。雪花形状主要由温度和湿度决定。长针形晶体在偏高温度(5摄氏度)形成,在更低温度(比如零下15摄氏度)会形成更平也更像环形的雪花。(文文)

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