บางครั้งเรื่องธรรมดาๆ ในธรรมชาติก็เป็นเรื่องที่น่าฉงนสนเท่ห์ที่สุด หยิบเกล็ดหิมะอันถ่อมตัว ไอคอนฤดูหนาวที่คุ้นเคยซึ่งจดจำได้ทันทีจากโครงสร้างที่สวยงามและความสมมาตรที่โดดเด่น บางคนอาจคิดว่ากระบวนการที่ไอน้ำควบแน่นเป็นผลึกน้ำแข็งนั้นน่าจะเข้าใจกันดี อย่างไรก็ตาม เมื่อพิจารณาอย่างใกล้ชิด เผยให้เห็นว่าแม้แต่คำถามพื้นๆ เกี่ยวกับการเกิดผลึกหิมะก็ยังไม่ได้รับคำตอบ
ในความเป็นจริง
ความเข้าใจของเราเกี่ยวกับการเจริญเติบโตของผลึกโดยทั่วไปนั้นมีความดั้งเดิมอย่างมากเมื่อเทียบกับความรู้ของเราเกี่ยวกับโครงสร้างผลึก การใช้การกระเจิงของรังสีเอกซ์ที่แหล่งกำเนิดแสงซินโครตรอนขั้นสูง นักวิจัยสามารถกำหนดตำแหน่งที่แน่นอนของอะตอมที่เป็นส่วนประกอบในผลึกที่ทำจากโมเลกุล
ชีวภาพที่ซับซ้อนอย่างยิ่งได้เป็นประจำ แต่เนื่องจากเราไม่สามารถคาดเดาได้อย่างแน่ชัดว่าผลึกเหล่านี้จะเติบโตอย่างไรภายใต้สภาวะต่างๆ กัน การผลิตตัวอย่างขนาดใหญ่สำหรับการวิเคราะห์จึงยังคงเป็นศิลปะสีดำ ปัญหาพื้นฐานคือการเจริญเติบโตของผลึกเป็นปัญหาที่ซับซ้อนของการเปลี่ยนแปลง
ของโมเลกุล การพัฒนาในระดับมหภาคและลักษณะทางสัณฐานวิทยาของผลึก กล่าวคือ ไม่ว่ามันจะก่อตัวเป็นเหลี่ยมหรือไม่ก็ตาม เติบโตเร็วเพียงใดภายใต้สภาวะต่างๆ และไม่ว่าจะพัฒนาเป็นผลึกขนาดใหญ่ก้อนเดียวหรือผลึกที่เล็กกว่าจำนวนมาก จะถูกควบคุมโดยวิธีการที่แน่นอนซึ่งอะตอม
ที่เป็นส่วนประกอบจะกระทุ้งเข้าไป วางในขณะที่พวกเขาแข็งตัว แม้ว่าปัญหาทางสถิตของโครงสร้างผลึกจะค่อนข้างง่าย แต่ปัญหาเชิงพลวัตของการเจริญเติบโตของผลึกนั้นยากพอสมควรจนเรายังไม่สามารถคาดเดาพฤติกรรมการเติบโตของผลึกที่ค่อนข้างง่ายได้ ซึ่งรวมถึงน้ำแข็งด้วย
ในการเปิดเผยขอบเขตของความไม่รู้ของเรา คุณต้องมีมากกว่าแว่นขยายและหิมะที่โปรยปรายเล็กน้อย ความหลากหลายของผลึกหิมะที่คุณจะเห็นเป็นสิ่งที่ไม่ธรรมดา (ดูที่”ความหลากหลายของคริสตัล” ) ตัวอย่างเช่น คุณอาจพบลักษณะทางสัณฐานวิทยาที่ซับซ้อนและแตกกิ่งก้านของผลึกหิมะของดาวฤกษ์
ซึ่งโดยพื้นฐานแล้ว
เป็นแผ่นบาง ๆ ที่ละเอียดซับซ้อนและบางกว่าความกว้างประมาณ 50 เท่า ในหิมะที่ตกต่างกัน คุณอาจพบเสาและเข็มรูปหกเหลี่ยมเรียวเป็นส่วนใหญ่ซึ่งอาจยาวกว่าความกว้างถึง 20 เท่า รูปแบบที่แตกต่างกันดังกล่าวเกิดขึ้นจากวัสดุชนิดเดียวกันได้อย่างไร? แต่ละคอลัมน์ เข็ม และแผ่นดาวฤกษ์ที่ตกลงมา
จากก้อนเมฆเริ่มต้นจากการเป็นปริซึมหกเหลี่ยมอย่างง่าย ซึ่งเป็นรูปแบบพื้นฐานที่สุดของผลึกหิมะ ซึ่งถูกกำหนดโดยสองด้าน “ฐาน” และ “ปริซึม” หกด้าน รูปร่างหกเหลี่ยมนี้ทำให้ผลึกหิมะมีความสมมาตร 6 เท่า ซึ่งได้มาจากโครงสร้างโมเลกุลของโครงตาข่ายน้ำแข็ง แต่รูปร่างโดยรวมของผลึกหิมะขึ้นอยู่
กับอัตราการเติบโตสัมพัทธ์ของพื้นผิวด้าน: ผลึกเรียงเป็นแนวเมื่อไอน้ำควบแน่นเป็นพิเศษบนพื้นผิวฐาน ในขณะที่เพลตก่อตัวขึ้นเมื่อไอควบแน่นบนพื้นผิวปริซึมได้ง่ายขึ้น ความจริงที่ว่ามีทั้งเกล็ดหิมะแบบเรียงเป็นแนวและแบบแผ่นหมายความว่าอัตราส่วนของอัตราการเติบโตฐานและปริซึมจะต้องเปลี่ยนแปลง
1,000 เท่าภายใต้เงื่อนไขที่แตกต่างกัน ความท้าทายคือการอธิบายว่าการควบแน่นของไอน้ำเป็นน้ำแข็งสามารถส่งผลให้เกิดรูปแบบผลึกที่หลากหลายได้อย่างไร จากการตรวจสอบการเจริญเติบโตของผลึกหิมะ เราหวังว่าจะเข้าใจว่าปฏิสัมพันธ์ในระดับโมเลกุลกำหนดโครงสร้างในระดับที่ใหญ่ขึ้นได้อย่างไร
ในการทำ
เช่นนั้น เราควรได้รับข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับคำถามทั่วไปเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสร้างรูปแบบและการประกอบตัวเองโดยธรรมชาติ สัณฐานวิทยาของคริสตัลหนึ่งในคนกลุ่มแรกๆ ที่เข้าใจวิทยาศาสตร์ของเกล็ดหิมะคือนักฟิสิกส์ จากมหาวิทยาลัยฮอกไกโดในประเทศญี่ปุ่นในช่วงทศวรรษที่ 1930
ปลูกเกล็ดหิมะของตัวเองในห้องแล็บ ซึ่งทำให้เขาสามารถศึกษาการเติบโตของเกล็ดหิมะภายใต้เงื่อนไขที่ทราบได้ การสังเกตอย่างเป็นระบบของเขามักจะสรุปเป็นแผนภาพสัณฐานวิทยาของผลึกหิมะ ซึ่งแสดงรูปร่างของผลึกตามฟังก์ชันของอุณหภูมิและความชื้น คุณลักษณะสองประการในแผนภาพนี้
โดดเด่นในทันที อย่างแรก ผลึกจะซับซ้อนมากขึ้นเมื่อความชื้นเพิ่มขึ้น: ปริซึมธรรมดาเกิดขึ้นเมื่อความชื้นต่ำ ในขณะที่รูปแบบแตกแขนงที่ซับซ้อนปรากฏขึ้นเมื่อมีความชื้นสูง ประการที่สอง ลักษณะทางสัณฐานวิทยาโดยรวมมีลักษณะเฉพาะตามฟังก์ชันของอุณหภูมิ โดยจะเปลี่ยนจากลักษณะคล้ายจาน
เป็นแบบเรียงเป็นแนว และกลับมาอีกครั้งเมื่ออุณหภูมิลดต่ำลง พฤติกรรมอย่างหลังได้รับการพิสูจน์ว่าอธิบายได้ยากเป็นพิเศษ แม้แต่ในระดับคุณภาพ แท้จริงแล้วหลังจากผ่านไป 75 ปี เรายังไม่สามารถอธิบายได้ว่าทำไมผลึกหิมะจึงเติบโตแตกต่างกันมากเมื่ออุณหภูมิเปลี่ยนแปลงเพียงไม่กี่องศา
และสำหรับแต่ละเข็ม ความเร็วการเติบโตจะแปรผกผันกับรัศมี สำหรับระบบที่กำหนด เราต้องการฟิสิกส์เพิ่มเติมนอกเหนือจากสมการการแพร่กระจายเพื่อให้สามารถเลือกวิธีแก้ปัญหาทางกายภาพเดียวจากตระกูล สิ่งนี้กลายเป็นปัญหาที่ละเอียดอ่อนอย่างน่าประหลาดใจที่ขึ้นอยู่กับรายละเอียด
ของการเปลี่ยนแปลงของโมเลกุลระหว่างการแข็งตัว แม้แต่เอฟเฟกต์ระดับมหภาคที่วัดได้ง่ายนี้ ความเร็วปลายของเดนไดรต์ที่กำลังเติบโต ขึ้นอยู่กับฟิสิกส์ที่ซับซ้อนในระดับโมเลกุลการเจริญเติบโตของผลึกหิมะในสนามไฟฟ้าสูงเพิ่มความน่าสนใจให้กับโซลูชั่น สำหรับการเติบโตที่จำกัด
การแพร่กระจาย ด้วยการสร้างเดนไดรต์น้ำแข็งที่แยกออกมาที่ปลายเส้นลวด เราสามารถกระตุ้นพฤติกรรมการเติบโตแบบใหม่ได้อย่างง่ายดายโดยใช้ไฟฟ้าแรงสูง เนื่องจากมีการไหลของกระแสเล็กน้อยในอากาศโดยรอบ พื้นผิวน้ำแข็งจึงกลายเป็นประจุอย่างรวดเร็ว เป็นผลให้การไล่ระดับสีสนามสูงใกล้กับส่วนปลายเดนไดรต์ที่เติมด้วยไฟฟ้าช่วยเพิ่มการแพร่กระจายของโมเลกุลของน้ำขั้วโลก
