Как формируются снежинки?

Более 400 лет назад знаменитый математик и ученый Иоганн Кеплер размышлял о создании одной из самых нежных и уникальных природных форм — шестигранной снежинки. Хотя атомы были обнаружены только спустя более двух веков, Кеплер открыто рассуждал о микроскопических строительных блоках, которые приводят к гексагональной структуре ледяного кристалла, включая множество факторов, лежащих в основе этого явления.

В новом исследовании, проведенном под руководством химика из Университета Тафтса, ученые нашли ответы на вопросы Кеплера, объединив обратное рассеяние электронов с большой монокристаллической моделью льда. Команда обнаружила, что плоские стороны ледяного кристалла образованы большим шестиугольником, который состоит из центральной молекулы воды, окруженной шестью другими в том же слое.

По заявлению Мэри Джейн Шульц, профессора химии в Школе искусств и наук Университета Тафтса и первого автора исследования, шестиугольник в форме стула имеет три молекулы в одном слое и еще три немного ниже, в так называемой двухслойной структуре. Шесть плоских сторон снежинки растут из шестиугольника, сформированного в одном слое. Этот шестиугольник большего размера поворачивается на 30 градусов относительно шестиугольника в форме стула.


«Снежинки растут из водяного пара. Поверхности, которые выделяют наибольшее количество тепла (на единицу площади), испаряются. Поверхность с наименьшим тепловыделением — гексагональная; затем следует плоская поверхность шестиугольника большего размера. Плоская сторона шестиугольника в форме стула выделяет наибольшее количество тепла на каждую зону, которая испаряется сама. Таким образом, гексагональная призма снежинки имеет плоские стороны, соответствующие большему шестиугольнику», — объяснила Шульц.

Результаты исследования опровергают предыдущие предположения о том, что снежинки растут с плоских сторон шестиугольника в форме стула.

Чтобы определить, как происходит образование снежинки, исследователи построили модель, которая уравновешивает тепло, выделяемое при включении молекул в твердую решетку, с вероятностью успешного прикрепления. Комбинирование макроскопических и молекулярных методов позволило команде исследовать одну и ту же поверхность в разных масштабах.

В течение десятилетий для исследования льда использовались макроскопические образцы. Этот метод создает красивые визуальные изображения макроскопической гексагональной формы. Образец молекулярного уровня — более новый. Хотя для наблюдения объекта на молекулярном уровне обычно использовались рентгеновские лучи, Шульц и ее команда предпочли метод дифракции обратного рассеяния электронов, который дает ориентацию плотных структур, более наглядных и визуально привлекательных.

«Тщательное отслеживание ориентации образца позволило нам соединить два изображения, чтобы увидеть связи».

Исследование, опубликованное в Proceedings of the National Academy of Sciences, подтвердило, что точки снежинки совпадают с кристаллографическими осями, показанными как желтые пятна в данных обратного рассеяния электронов. Смысл в том, что плоская сторона снежинки состоит из двухслойной структуры. Основная поверхность — шестиугольник в форме стула; изменение вверх-вниз образует двухслойную структуру. Плоская сторона представляет собой шестиугольник в форме лодки, состоящий из пар молекул воды, соединяющих пары в нижней половине двойного слоя. Предполагается, что гибкость и мобильность пары приводят к уникальной реактивности этой поверхности, включая потенциальную катализирующую конверсию газов, таких как оксиды углерода и азота в атмосфере. ©