专栏:熔炉

菲利普·鲍尔(Philip Ball)使雪花结构的主题变得热烈起来

“产生这些东西的空气是多么充满创造性的天才啊!””exclaimed Henry David Thoreau on inspecting the minute forms of snowflakes. But in popular culture some of them appear to be more the creation of an overactive (or underinformed) imagination. As Thomas Koop says in a recent letter to自然，¹每年圣诞节，人们都会看到星星有5点、8点甚至12点，而不是通常的6点。

大自然的这一事实在约翰内斯·开普勒1611年的小册子中讲得很清楚De nive sexangula(《在六角雪花上》)。在这篇论文中，他试图根据组成冰晶的“球状物”的规则排列来解释这种六边形的对称性——这是第一个表明粒子的排列可能是晶体几何形状的基础。开普勒得出结论，它不足以回答这个问题——这是一个讽刺，因为冰中水分子h键晶格的六边形对称性确实解释了六度。

我们现在知道，节日设计中的五角和八角雪花是不可能的。基于几何原理，这些对称性在晶体晶格中是被禁止的:人们不能周期性地将原子或分子以五边形或八角形(或确实是十二角形)对称性堆叠起来。

然而，在20世纪80年代，人们发现了明显的晶体材料，它们显示出五重和八重衍射图案，以及五边形的切面。这些准晶体，主要是金属合金，缺乏真正的周期性，但包含局部的堆叠排列与相应的“禁止”对称。

虽然水分子的六边形环是普通冰的基本结构，但五边形环实际上更有利，因为顶点的角度更接近h键配位的理想“四面体”角。事实上，在液态水中，五重环比六重环更常见，而且它们也存在于冰包合物中。

基于这些理由，人们可能会想，水五角形在原则上是否可以形成一个3D平铺方案，类似于那些可以用来描述准晶体结构的方案。令我惊讶的是，在文献中似乎没有类似的研究。但是雪花和准结晶性的概念有交集。例如，荷兰奈梅亨大学(University of Nijmegen)的阿洛伊西奥·詹纳(Aloysio Janner)提出，从准晶体中衍生出的平纹图可以用来描述薄片的一些形态特征。澳门万博公司^2、3

去年，德国柏林弗里茨哈伯研究所(Fritz Haber Institute)的哈维尔·卡拉斯科(Javier Carrasco)和他的同事报告了水分子线性链吸附在铜表面的一系列五边形。⁴最能引起共鸣的是，结晶学家艾伦·麦凯在一篇名为De nive quinquangula:在五边形雪花上．⁵(然而，遗憾的是，麦凯并没有探索水本身的想法。)

然而，它是否有效的细节是复杂的——这将构成一个诱人的研究项目。麦凯认为这种可能性非常小，因为他说:“当强局部有序与周期性竞争时，准晶体就产生了，而水中的局部有序很弱。”但他认为“在很低的温度下沉积在准晶体表面上的水蒸气可能是有序的，”或者这种准有序可能是由在适当的声波或电磁场中冻结水引起的。什么人吗?

五边形的难题

然而，事情越来越复杂。库普收到了来自加拿大英属哥伦比亚大学的表面物理学家洛恩·怀特黑德的一封信，信中有一个惊人的说法。“1984年的冬天，”怀特黑德说，“我正在明尼苏达州的圣保罗访问，那是一个寒冬的下午。我碰巧往下看了一眼我踩上的阳台栏杆，注意到一些白色的小颗粒正慢慢地落在栏杆上。我没有带显微镜，但当时我的近景视力很好，我仔细观察，部分原因是我对自己看到的东西感到惊讶。这些粒子的形状是直径约0.5-1mm的五角形棱镜。很自然地，我以为这些粒子是六边形的，所以我检查了一遍又一遍，它们都很明显是五边形的!”

加州理工学院研究雪花的专家Ken Libbrecht发现这一点很难相信。“气象学家拍摄了各种条件下的冰晶，”他告诉我。“我想说，至少有几百万颗晶体被拍了下来，但据我所知，还没有一块清晰的五边形盘子被拍下来。”

然而，并不是所有的雪花都是六角的。有些是简单合并的结果，有12点。还有一些是三角形的，这一事实观察了几个世纪，但直到最近，利布莱希特和他的同事汉娜·阿诺德才解释说，杂质导致薄片在生长过程中倾斜。⁶利布莱希特说，立方冰晶是由另一种叫做立方冰的冰结构形成的，这种冰结构具有类似钻石的晶格，也有很好的记录。所以，也许包装纸设计师比我们想象的更有自由。

菲利普·鲍尔是一位生活在英国伦敦的科普作家