六角形排列的水分子在动力学控制下逐渐变成六边形雪花

对完美冰晶的测量显示,由水蒸气控制雪花生长的动力学参数导致了它们标志性的形状。

某些晶体(如冰)的宏观形状与其结构中单个分子的排列之间的联系并不总是明显的。晶体生长受到不同参数的影响,如热力学或动力学因素,甚至机械应力。

现在,玛丽·简·舒尔茨来自美国塔夫茨大学的研究员和她的团队已经证明了冰中水分子的排列方式h-形成雪花的类型-直接导致宏观六面晶体的形成。

六边形棱镜的主要面图

来源:©PNAS

六方棱镜的主面示意图,其中B是基面,P是主面,S是次面

研究小组培育了形状像六角形棱镜的大型单晶,以一种暴露三个不同面的方式:基面(两个六角形面)、主棱镜面(六个矩形面)和副棱镜(六个内矩形面)。他们用晶体学和宏观技术检查了每个表面,发现冰晶在液态水中的生长与在水蒸气中的生长有很大的不同——这就是为什么实验测量和理论模型在雪花的形状与晶体中水分子的排列之间存在分歧。

在水中,冰的生长受热力学控制。然而,当冰晶在水蒸气的包围下生长时,动力因素起了作用。在这种情况下,六个主棱镜面变得比其他面更稳定,导致六面雪花。