Kenneth Libbrecht は、真冬に南カリフォルニアを離れ、アラスカ州フェアバンクスのような、冬の気温が氷点下を超えることはめったにない場所に向かう珍しい人物です。そこで彼はパーカーを着て、カメラと発泡スチロール板を持って野原に座り、雪が降るのを待ちます.
具体的には、彼は自然が生み出すことができる最もきらめく、最もシャープで最も美しい雪の結晶を探しています.優れたフレークは、フェアバンクスや雪の降るニューヨーク州北部など、最も寒い場所で形成される傾向があると彼は言います.彼がこれまでに見つけた最高の雪は、オンタリオ州北東部の僻地にあるコクランにありました。ここでは、雪が空から落ちるときに風がほとんど吹いていません。
自然の中に閉じ込められたリブレヒトは、考古学者の忍耐力でボードをスキャンし、完璧な雪片やその他の雪の結晶を探します。 「そこに本当に素敵なものがあれば、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. 「そうでない場合は、それを払いのけるだけで、何時間もそれを行います。」
リブレヒトは物理学者です。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、20 年間、Libbrecht の情熱は雪でした。その外観だけでなく、それがどのように見えるかについてもです。 「物が空から落ちてくるのはちょっと恥ずかしいし、『なんであんなに見えるの？私を打ちのめします」と彼は言いました。
物理学者は 75 年間、雪の中の小さな結晶が 2 つの一般的なタイプに当てはまることを知っていました。 1 つはアイコニックなフラット スターで、6 つまたは 12 のポイントがあり、それぞれが目もくらむほどの可能性を秘めたレースの枝で飾られています。もう 1 つは柱で、フラット キャップで挟まれている場合もあれば、金物店のボルトに似ている場合もあります。これらの異なる形状は、異なる温度と湿度で発生しますが、その理由は謎のままです.
何年にもわたって、リブレヒト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。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・ドゥマンジュ氏は、「彼は間違いなくこの分野の教皇です」と述べています。
現在、Libbrecht の雪に関する研究は、雪片やその他の雪の結晶がそのように形成される理由を説明しようとする新しいモデルに結晶化しています。彼のモデルは、彼が 10 月にオンラインで投稿した論文で詳しく説明されており、氷点付近での水分子のダンスと、それらの分子の特定の動きが、さまざまな条件下で形成される結晶の豊富さをどのように説明できるかを説明しています。別の 540 ページのモノグラフで、Libbrecht は雪の結晶に関する完全な知識を説明しています。ライス大学の物性物理学者である Douglas Natelson は、新しいモノグラフを「傑作」と呼んだ。
「作品として」ナテルソンは言った、「少年、それは素晴らしいです。」
六つ角のスターレット
結晶が空で調理される方法に由来する事実は、2 つとして同じ雪片がないことは誰もが知っています。雪は、大気中で形成され、集合的に地球に落下する際に形状を保持する氷の結晶の塊です。それらは、大気が十分に冷えて融合または融解し、みぞれや雨になるのを防ぐときに形成されます.
雲には多数の温度と湿度レベルが含まれていますが、これらの変数は単一の雪片全体で一定であるのと同じくらい良好です。これが、スノーフレークの成長が対称的であることが多い理由です。一方、すべての雪片は、風、日光、およびその他の変数の変化によって影響を受けると、タフツ大学の化学者であり、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・シュルツは指摘しています。それぞれの結晶が雲の混沌にさらされると、それらはすべてわずかに異なる形をとると彼女は説明します.
これらの繊細な形についての最も古い記録は、紀元前 135 年にさかのぼります。リブレヒトの調査によると、中国では。 「植物や木の花は一般に五芒ですが、陰と呼ばれる雪の花は常に六芒です」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した最初の科学者は、おそらくドイツの科学者で博学者であるヨハネス・ケプラーでした.
1611 年、ケプラーは彼のパトロンである神聖ローマ皇帝ルドルフ 2 世に新年の贈り物を贈りました。ケプラーは、プラハのカレル橋を渡ったときに襟元に雪の結晶があることに気付き、その幾何学について考えずにはいられなかったと書いています。 「雪が六角のムクドリの形をしているのは、何か理由があるに違いない。偶然ではありえない」と彼は書いた。
彼は、英国の科学者で天文学者であり、多くの役割の中で、探検家ウォルター・ローリー卿のナビゲーターを務めた同時代のトーマス・ハリオットからの手紙を思い出したでしょう。 1584 年頃、ハリオットはローリーの船の甲板に砲弾を積み重ねる最も効率的な方法を模索しました。ハリオットは、六角形のパターンが球体を密に詰める最良の方法であることを発見し、それについてケプラーと連絡を取りました。ケプラーは、雪の結晶でも同様のことが起こっているのではないかと考え、その 6 つの面は「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。
それは、原子物理学に対する驚くべき初期の洞察であり、さらに 300 年間形式化されることはありませんでした。実際、2 つの水素と 1 つの酸素を含む水の分子は、互いにロックし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の人々は、これがどれほど重要かを知りませんでした。 「水素結合と、分子同士の相互作用の詳細により、この比較的開いた結晶構造が得られます」と Natelson 氏は述べています。この六角形の構造は、雪片の成長を助けるだけでなく、氷の密度を液体の水よりも低くし、地球化学、地球物理学、気候に大きな影響を与えます。ナテルソンによれば、氷が浮かばなければ、「地球上の生命は存在できなかったでしょう」。
ケプラーの論文の後、スノーフレークの観察は科学というよりも趣味のままでした。 1880 年代、バーモント州ジェリコの冷たく質の高い雪の村出身のウィルソン ベントレーというアメリカ人写真家が、写真乾板を使用して最初の雪の結晶の画像を作成し始めました。最終的に肺炎で亡くなる前に、彼は 5,000 枚以上の画像を作成しました。
その後、1930 年代に、日本の研究者である中谷宇吉郎が、さまざまな種類の雪の結晶の体系的な研究を開始しました。 20 世紀半ばまでに、ナカヤは実験室で雪片を製造していました。個々のウサギの毛を使用して冷蔵空気中に霜の結晶を浮遊させ、本格的な雪片に成長させることができました。彼は、湿度と温度の設定をいじくり回して、2 つの主要な結晶タイプを成長させ、可能性のある形状の独創的なカタログを作成しました。中谷氏は、星は摂氏マイナス 2 度とマイナス 15 度で形成される傾向があることを発見しました。柱はマイナス 5 度で形成され、マイナス 30 度で再び形成されます。湿度が低い場合、星はほとんど枝を形成せず、六角形のプレートに似ていますが、湿度が高いと、星はより複雑でレースのようなデザインになります.
リブレヒトによれば、さまざまな結晶形の理由も、中谷の先駆的な研究の後で明らかになり始めたという。面がゆっくりと上向きに成長し、エッジが急速に外側に成長すると、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。細い柱は異なる方法で成長し、面の成長が速く、エッジの成長が遅くなります。
しかし、雪の結晶が星の形になるか柱の形になるかを決定する基礎となる原子プロセスは不透明なままでした。 「温度で何が変わる？」リブレヒトは言った。 「私はそれら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 とこの問題を研究している非常に少数の研究者グループは、いわばスノーフレークのレシピを考え出そうとしてきました。一連の方程式とパラメーターをスーパーコンピューターに入力すると、素晴らしい種類の雪片を吐き出すことができます。
Libbrecht は、キャップド コラムと呼ばれるエキゾチックな雪の結晶の形を知った後、20 年前に追跡を開始しました。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。ノースダコタ州出身の彼はショックを受け、「どうしてこんなものを見たことがなかったのだろう?」と思いました。果てしない雪の形に魅了された彼は、後に出版した人気の科学書のために雪の性質を理解しようとし、写真も撮り始めました。すぐに、彼は研究室でスノーフレーク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察の結果であり、最近ゲル化し始めたと彼は言います。
彼の重要なブレークスルーは、表面エネルギー駆動分子拡散と呼ばれるアイデアでした。これは、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ています。
水蒸気が凍り始めたばかりのように、水の分子が緩く並んでいると想像してください。これを小さな天文台から見ると、凍った水分子が固い格子を形成し始め、各酸素原子が 4 つの水素原子に囲まれていることがわかります。これらの結晶は、周囲の空気から水分子をパターンに取り込むことによって成長します。それらは、上または外の 2 つの主な方向に成長する可能性があります。
エッジが結晶の 2 つの面よりも速く材料にロープを張ると、薄くて平らな結晶 (板状または星状) が形成されます。芽吹いた結晶が外側に広がっていきます。ただし、面が端よりも速く成長すると、結晶は高くなり、針、中空の柱、または棒を形成します。
リブレヒトのモデルによると、水蒸気は最初に結晶の角に落ち着き、次に結晶の端または面に向かって表面上に拡散し、結晶をそれぞれ外側または上向きに成長させます。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れが勝つかは、主に温度に依存します。
これはすべて、「プレメルティング」と呼ばれる現象により、珍しい鉱物である氷でのみ発生します。水の氷は通常、その融点近くで見つかるため、最上部の数層は液体のようで無秩序です。詳細は完全には理解されていませんが、プレメルトは温度の関数として面とエッジで異なる方法で発生します。 「これはモデルの一部であり、私はそれを完全に作り上げています」と Libbrecht 氏は言いましたが、全体的な物理的イメージはもっともらしいと述べています.
彼の新しいモデルは「半経験的」であり、第一原理から完全に出発してスノーフレークの成長を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、完全に解明することはできません。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の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、より一般的な物性物理学でも同様の問題が生じます。薬物分子、コンピューター用の半導体チップ、太陽電池、およびその他の無数のアプリケーションが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。
Meenesh Singh は、イリノイ大学シカゴ校のそのような研究者の 1 人です。最近の論文で、Singh と共著者は、Libbrecht の雪と氷の相変化結晶化とは対照的に、溶媒中での結晶成長の根底にある可能性のある新しいメカニズムを特定しました。溶媒結晶化では、固体材料は水または他の液体のような溶液に溶解します。温度を微調整し、他の溶媒を追加することで、メーカーは新薬分子を結晶化したり、太陽電池用の新しい結晶を生成したりできます.
「結晶成長に関するすべてのアプリケーションは経験的に扱われます」と Singh 氏は言います。 「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ます。」しかし、溶液中の分子がどのように結晶に統合されるかは明らかではないと彼は言いました。 「分子がそうするように実際に駆動するのは何ですか?なぜ私はクリスタルに行くのですか？疑問に思うようになると、多くの疑問が生まれますが、それらの疑問は解決されません。」
Librecht 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、今後数年間の結晶成長に関する多くの疑問に答えてくれると信じています。 「いつの日か、原子に至るまで分子モデル全体を作成し、これらの現象が量子力学に至るまで進行していることを確認できるようになるでしょう」と彼は言いました。
彼は物理学を解明しようとしながらも、雪の結晶の写真とそれに付随する旅行を楽しんでいます。しかし最近、彼は日当たりの良い南カリフォルニアに留まり、研究室で雪片を育てるための洗練されたシステムを装備しました。 61 歳で定年を迎えようとしている彼は、「他の仕事の束縛を捨てようとしています。これからはアイスをやるだけです。」
この記事はに転載されました Wired.com .
