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2つの雪片が似ていない理由の背後にある科学

ケネス・リブブレヒトは、冬の真ん中に南カリフォルニアを大喜びで去るような珍しい人ですアラスカ州フェアバンクスでは、冬の気温が氷点を超えることはほとんどありません。そこで、彼はパーカーを着て、カメラとフォームボードを片手にフィールドに座って、雪を待っています

具体的には、彼は自然が作り出すことができる、最もキラキラ光る、最も鋭く、最も美しい雪の結晶を求めています。 優れたフレークは、フェアバンクスや雪に覆われたニューヨーク州のように、最も寒い場所で形成される傾向があります。彼が見つけた最高の雪は、オンタリオ州北東部のremote地にあるコクランで、雪が空を舞い散るときの風はほとんどありません。

オリジナルストーリーQuanta Magazineからの許可を得て転載Simons Foundationの編集上独立した出版物)その使命は、数学と物理学と生命科学の研究開発とトレンドをカバーすることにより、科学の一般的な理解を高めることです。|||

要素に固執し、Libbrechtスキャン考古学者の忍耐力で彼のボードは、完璧な雪片や他の雪の結晶を探しています。 「そこに本当にいいものがあれば、あなたの目はそれを見つけるでしょう」と彼は言いました。 「もしそうでなければ、それをただ磨いて、何時間もそれをします。」

Libbrechtは物理学者です。カリフォルニア工科大学の彼の研究室では、太陽の内部構造を調査し、重力波検出用の高度な機器を開発しました。しかし11年、Libbrechtの情熱は雪でした-その外観だけでなく、それがそのように見えるようにするものでもあります。 「ものが空から落ちると少し恥ずかしくて、「どうしてこんな風に見えるの?私を打つ、」彼は言った。

オンタリオ州コクランにあるカリフォルニア工科大学の物理学者、ケネスリブブレヒト2006。高品質の雪の結晶がフォームコアボードに着地すると、彼は小さな絵筆を使ってそれを拾い上げ、スライドガラスの上に置き、さらに検査するために顕微鏡の下に置きます。Kenneth Libbrechtの礼儀

にとって 75物理学者は、雪の中の小さな結晶が2つの一般的なタイプに適合することを知っています。 1つは象徴的なフラットスターで、6つまたは12ポイント。目がくらむような可能性のあるレースの一致する枝でそれぞれ装飾されています。もう1つは柱で、時には平らなキャップで挟まれ、時には金物屋のボルトに似ています。これらのさまざまな形状はさまざまな温度と湿度で発生しますが、その理由は謎です。

長年にわたって、Libbrechtの骨の折れる観察は雪の結晶化プロセスへの洞察をもたらしました。 。 「彼は間違いなくその領域の教皇です」と、フランスのルーアン大学の材料科学者で、雪の結晶も研究しているジル・デマンジュは言いました。

今、リブブレヒトの作品雪の結晶は、なぜ雪片やその他の雪の結晶がそのように形成されるのかを説明しようとする新しいモデルで結晶化しました。彼のモデルは、10月にオンラインで投稿したa paperで詳述されており、水のダンスについて説明しています。凝固点付近の分子と、それらの分子の特定の動きが、異なる条件下で形成される結晶のパノラマをどのように説明するか。別に、75-ページモノグラフ、Libbrecht雪の結晶に関するすべての知識を説明しています。ライス大学の凝縮物質物理学者であるダグラス・ナテルソンは、この新しいモノグラフを「ツール・ド・フォース」と呼んだ。

「作品として」、ナテルソンは言った、「少年

6角スターレット

2つの雪片が似ていないことは誰もが知っています。結晶が空で調理する方法に由来します。雪は、大気中に形成され、それらが集合的に地球に落ちるときにその形状を保持する氷の結晶のクラスターです。大気が融けたり溶けてみぞれや雨になるのを防ぐのに十分な寒さのときに形成されます。

雲には多数の温度と湿度が含まれていますが、これらの変数単一のスノーフレーク全体で一定である。これが雪片の成長がしばしば対称的である理由です。一方、雪片はすべて、風、日光、その他の変数の変化によって影響を受けます、とタフツ大学の化学者で、雪片の物理学に関する最近のエッセイを発表したメアリー・ジェーン・シュルツは指摘します。それぞれの水晶が雲の混chaosに服従するとき、それらはすべてわずかに異なる形を取ります、と彼女は説明します。

イラスト:Lucy Reading-Ikkanda / Quanta Magazine、改編:Kenneth Libbrecht

これらの繊細な形で最も早く記録された黙想は、135BC Libbrechtの調査によると、中国で。 「植物や木の花は一般に五pointですが、雪と呼ばれるwhichは常に六alwaysです」と学者のハン・インは書いています。しかし、なぜこれが起こるのかを理解しようとする最初の科学者は、おそらくドイツの科学者であり、数学も研究しているヨハネス・ケプラーだったでしょう。

In1611、ケプラーは新年を申し出ました後援者である神聖ローマ皇帝ルドルフ2世への贈り物:「6角のスノーフレーク」と呼ばれるエッセイ。 「雪が6角のスターレットの形をしているのには、何らかの原因があるに違いありません。彼は書いた。

彼は、現代のトーマス・ハリオットからの手紙を思い出しただろう。探検家サー・ウォルター・ローリーのナビゲーター。周辺300、ハリオットはローリーの船のデッキに砲弾を積み重ねる最も効率的な方法を探しました。ハリオットは、六角形のパターンが球体を密接に詰めるための最良の方法であると思われ、それについてケプラーに対応しました。ケプラーは、雪の中で同様のことが起こっているのか、そしてそれらの6辺を「水のような液体の最小の自然単位」の配置に固定できるのではないかと考えました。

プレート状の顕微鏡写真雪片(提供:Kenneth Libbrecht

それは原子物理学への驚くべき初期の洞察であり、別のもののために形式化されないものでした300年。実際、2つの水素と1つの酸素を含む水の分子は、互いに固定されて六角形の配列を形成する傾向があります。ケプラーと彼の同時代人は、これがどれほど重要かを知ることができなかったでしょう。 「水素結合、および分子同士の相互作用の詳細により、この比較的オープンな結晶構造が得られます」とNatelson氏は述べています。雪片の成長を助けるだけでなく、この六角形の構造は氷を液体の水よりも密度が低くし、地球化学、地球物理学、気候に大きな影響を与えます。ナテルソンによると、氷が浮かばなければ、「地球上での生活は不可能だ」

ケプラーの論文の後、雪片の観察は科学以上の趣味のままでした。の中に 1880s、アメリカの写真家、Wilson Bentley —バーモント州ジェリコの寒くて質の高い雪の村から—は写真プレートを使用して最初の雪の結晶画像の作成を開始しました。彼は5つ以上を生産しました最終的に肺炎に陥る前の画像

による多様な雪片の図面さまざまなタイプの数十年にわたる研究を行った日本の物理学者中谷宇吉郎イラスト:中谷宇吉郎

次に、1930s、日本の研究者の中谷幸一郎は、異なる雪の体系的な研究を始めましたクリスタルタイプ。中谷は、研究室で雪片を生産していました。個々のウサギの毛を使用して、冷気に霜の結晶を懸濁させ、そこで本格的な雪片に成長させました。彼は湿度と温度の設定をいじって、2つの主要な結晶タイプを成長させ、可能な形状の独創的なカタログを組み立てました。中谷は、星が摂氏-2度と-で形成される傾向があることを発見しましたC.列は-5 Cで形成され、約-で再び形成されますC.低湿度では星はほとんど枝を作らず、六角形のプレートに似ていますが、高湿度では星はより複雑でレースのようなデザインになります。

Libbrechtによれば、様々な結晶形の理由も中谷の先駆的な仕事の後に注目され始めました。エッジが急速に外側に成長し、顔がゆっくりと上向きに成長すると、結晶は(3次元構造ではなく)平らな星やプレートに成長します。細長い柱は、成長が速い面と成長が遅いエッジを使用して、異なる方法で成長します。列は不透明のままでした。 「温度によって何が変わるのですか?」Libbrecht氏は言いました。 「すべてをつなぎ合わせようとしてきました。」

スノーフレークレシピ

Libbrechtと非常に小さいこの問題を研究している研究者のグループは、スノーフレークのレシピを考え出そうとしていました。スーパーコンピューターに入力できる一連の方程式とパラメーターは、実際に見られる素晴らしい雪片を吐き出します。

Libbrechtは、20年前にキャップ付きコラムと呼ばれるエキゾチックなスノーフレークの形を知ってから追跡を始めました。空のスプール、または2つの車輪と車軸のように見えます。ノースダコタ州のネイティブとして、彼はショックを受け、「これらのどれも見たことがありませんでしたか?」雪の無限の形に魅了され、彼が後に出版した人気の科学の本のために彼らの性質を理解し始め、写真も。すぐに、彼は研究室で雪の結晶成長装置をいじくり回していました。彼の新しいモデルは、数十年にわたって行われた観測の結果であり、最近ゲル化が始まったと彼は言います。雪の結晶の成長が、それを形成する分子の初期条件と挙動にどのように依存するかを説明します。

イラスト:Lucy Reading-Ikkanda / Quanta Magazine

水蒸気がちょうど凍結し始めるので、水の分子がゆるく配置されていることを想像してください。小さな観測所から何らかの形でこれを見ると、各酸素原子が4つの水素原子に囲まれた、凍結する水分子が堅固な格子を形成し始めることがわかります。これらの結晶は、周囲の空気からの水分子をパターンに取り込むことで成長します。彼らは2つの主な方向に成長することができます:上または外。

エッジがロープを張ると、薄い平らな結晶(プレート状または星状)が形成されますクリスタルの2つの面よりも早く素材を使用できます。急成長する結晶は外側に広がります。しかし、その面がその縁よりも速く成長すると、結晶はより高く成長し、針、中空の柱または棒を形成します。

Libbrechtのモデルによると、水蒸気は最初に落ち着きます結晶の角は、結晶の端または表面のいずれかに表面上で拡散し、結晶はそれぞれ外側または上方に成長します。さまざまな表面効果と不安定性が相互作用するときに、これらのプロセスのどちらが勝つかは、主に温度に依存します。

これはすべて、「pre通常、水氷は融点近くで見つかるため、上のいくつかの層は液体のようで乱れています。事前溶融は、温度の関数として面と端で異なりますが、この詳細は完全には理解されていません。 「これは私がちょうどそれを全体の布を作るモデルの一部です」とLibbrechtは言いました—しかし、彼は全体的な物理的な絵がもっともらしいようだと言います。

円柱状の雪片の例Kenneth Libbrechtの礼儀

彼の新しいモデルは「半経験的」であり、スノーフレークの成長を第一原理から完全に説明するのではなく、観測に一致するように部分的に調整されています。無数の分子間の不安定性と相互作用は複雑すぎて完全に解明できません。しかし、彼は自分のアイデアが、より詳細な測定と実験によって具体化できる氷成長ダイナミクスの包括的なモデルの基礎を形成することを望んでいます。

氷は特に奇妙ですが、同様の問題は、より一般的に凝縮物質物理学で発生します。薬物分子、コンピューター用半導体チップ、太陽電池、およびその他の無数のアプリケーションは高品質の結晶に依存しており、研究者グループ全体が結晶成長の基礎に焦点を当てています。

シンは、シカゴのイリノイ大学のそのような研究者の一人です。 最近の論文で、Singhと共著者は結晶の根底にあるかもしれない新しいメカニズムを特定しましたLibbrechtの雪と氷の相変化結晶化とは対照的に、溶媒の成長。溶媒の結晶化では、固体材料は水または別の液体のような溶液に溶解します。温度を調整し、他の溶媒を追加することにより、製造業者は新しい薬物分子を結晶化したり、太陽電池用の新しい結晶を製造したりすることができます。

経験的に対処しました」と、シンは言いました。 「特定の経験的データがあり、その情報を使用して、結晶がどのように成長するかを説明しようとしています。」 「それを実現するために分子を駆動するものは何ですか?クリスタルに行くのはなぜですか?不思議に思うと、それは多くの質問を作成し、それらの質問は扱われません。」

Libbrechtは、より良い実験とより洗練されたコンピューターシミュレーションが答えると信じています今後数年間の結晶成長に関する多くの質問。 「いつか、分子モデル全体を原子まで作成し、これらの現象が量子力学に至るまで進行するのを見ることができるようになるでしょう」と彼は言いました。

彼は物理学の解明を試みますが、雪の結晶写真とそれに付属する旅行。しかし、最近、彼は晴れた南カリフォルニアに置かれ、研究室で雪片を成長させるための洗練されたシステムを作り上げました。 61、彼は引退に近づいています、つまり、彼は言った、「私は他の仕事の束縛を捨てています。これから氷をやるつもりです。」

オリジナルストーリーから許可を得て転載Quanta Magazine編集上独立した、Simons Foundation数学と物理学と生命科学の研究開発と傾向を網羅することにより、科学の一般的な理解を深めるために。


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