눈송이의 웅장한 통일 이론으로

Kenneth Libbrecht는 겨울 한가운데서 남부 캘리포니아를 알래스카의 Fairbanks와 같은 곳으로 남부 캘리포니아를 떠나는 드문 사람입니다. 그곳에서 그는 파카를 입고 카메라와 폼 보드가있는 들판에 앉아 눈을 기다리고 있습니다.

구체적으로, 그는 자연이 생산할 수있는 가장 날카 롭고 가장 날카 롭고 가장 아름다운 눈 결정을 추구합니다. 그는 페어 뱅크스와 눈 덮인 북부 뉴욕과 같이 우수한 플레이크가 가장 차가운 곳에서 형성되는 경향이 있다고 말합니다. 그가 찾은 최고의 눈은 온타리오 주 북동쪽에있는 코크레인에 있었는데, 그곳에서 하늘을 뚫을 때 눈송이를 때리는 바람이 거의 없습니다.

Libbrecht는 요소에 푹 빠져서 고고학자의 인내심으로 보드를 스캔하여 완벽한 눈송이 및 기타 눈 결정을 찾고 있습니다. "정말 좋은 것이 있다면 눈이 찾을 수있을 것"이라고 그는 말했다. "그렇지 않다면, 당신은 그냥 닦고 몇 시간 동안 그렇게합니다."

Libbrecht는 물리학 자입니다. 캘리포니아 기술 연구소 (California Institute of Technology)의 실험실은 태양의 내부 구조를 조사하고 중력파 탐지를위한 고급기구를 개발했습니다. 그러나 20 년 동안 Libbrecht의 열정은 눈이 눈을 돌았습니다. “물건이 하늘에서 떨어질 때 약간 당황 스럽습니다.‘왜 그렇게 보입니까? 나를 때렸다”고 말했다.

75 년 동안 물리학 자들은 눈의 작은 결정이 두 가지 유형에 맞는다는 것을 알고 있습니다. 하나는 상징적 인 플랫 스타이며, 6 ~ 12 점으로, 각각 현기증이 나는 가능성에 어울리는 레이스 가지로 장식되어 있습니다. 다른 하나는 기둥이며 때로는 플랫 캡으로 샌드위치되어 있으며 때로는 철물점에서 볼트와 비슷합니다. 이러한 다른 모양은 다른 온도와 습도에서 발생하지만 그 이유는 미스터리였습니다.

수년에 걸쳐 Libbrecht의 힘든 관찰 결과는 눈 결정화 과정에 대한 통찰력을 얻었습니다. 프랑스 루앙 대학교 (University of Rouen)의 재료 과학자 인 Gilles Demange는“그는 분명히이 도메인의 교황입니다.

이제 Libbrecht의 Snow에 대한 작업은 눈송이와 다른 눈 결정이 왜 그렇게 형성되는지 설명하려는 새로운 모델로 결정화되었습니다. 그가 10 월에 온라인으로 게시 한 논문에 자세히 설명 된 그의 모델은 동결 지점 근처의 물 분자의 춤과 그 분자의 특정 움직임이 어떻게 다른 조건 하에서 형성되는 결정을 설명 할 수 있는지 설명합니다. 540 페이지의 별도의 모노 그래프에서 Libbrecht는 눈 결정에 대한 지식 전체를 설명합니다. Rice University의 응축 물리학자인 Douglas Natelson은 새로운 모노 그래프“Tour de Force”라고 불렀습니다.

Natelson은“작품으로, 소년, 화려합니다.”

6 개의 코너 스타 렛

모든 사람은 두 개의 눈송이가 비슷하지 않다는 것을 알고 있습니다. 사실은 결정이 하늘에서 요리하는 방식에서 비롯된 사실입니다. 눈은 대기 중에 형성되는 얼음 결정의 클러스터입니다. 분위기가 차가워 질 때 융합하거나 녹지 않고 진눈깨비 또는 비가 막을 수 있습니다.

클라우드에는 수많은 온도와 습도 수준이 포함되어 있지만 이러한 변수는 단일 눈송이에서 일정하게 우수합니다. 이것이 눈송이 성장이 종종 대칭적인 이유입니다. 반면에, 모든 눈송이는 바람, 햇빛 및 기타 변수를 바꾸어 뷔페를 뿌린다고 Tufts University의 화학자 인 Mary Jane Shultz는 최근 Snowflake Physics에 대한 에세이를 발표했습니다. 각 크리스탈은 구름의 혼돈에 제출함에 따라 모두 약간 다른 형태를 취한다고 설명합니다.

이 섬세한 모양에서 가장 초기의 기록 된 머물은 기원전 135 년으로 날짜를 기원했습니다. Libbrecht의 연구에 따르면 중국에서는 Han Yin은“식물과 나무의 꽃은 일반적으로 5 점이지만 잉어라고 불리는 눈의 꽃은 항상 6 점입니다. 그러나 왜 이런 일이 발생하는지 이해하려고 시도한 최초의 과학자는 아마도 독일 과학자이자 폴리머스 인 요하네스 케플러 일 것입니다.

1611 년에 케플러는 그의 후원자 인 신성 로마 황제 루돌프 2 세에 새해의 선물을 제공했습니다. Kepler는 프라하의 찰스 브리지를 건너 기하학에 도움을 줄 수 없었을 때 그의 옷깃에서 눈송이를 발견했다고 썼다. “Snow가 6 개의 구획 스타 렛의 모양을 가진 이유가 있어야합니다. 기회가 될 수는 없다”고 그는 썼다.

그는 영국 과학자이자 천문학자인 현대의 토마스 해리엇 (Thomas Harriot)의 편지를 회상했을 것입니다. 1584 년경 해리엇은 롤리의 선박 데크에 대포를 쌓는 가장 효율적인 방법을 찾았습니다. Harriot는 육각형 패턴이 구체를 밀접하게 포장하는 가장 좋은 방법으로 보였고 Kepler와 그에 대응했습니다. Kepler는 눈송이에서 비슷한 일이 일어 났는지, 그리고“물과 같은 액체의 가장 작은 천연 단위”의 배열에 6면이 고정 될 수 있는지 궁금해했습니다.

300 년 동안 공식화되지 않은 원자 물리학에 대한 초기 통찰력이었습니다. 실제로, 2 개의 수소와 하나의 산소를 갖는 물 분자는 육각형 어레이를 형성하기 위해 함께 잠기는 경향이있다. 케플러와 그의 동시대 사람들은 이것이 얼마나 중요한지 알 수 없었습니다. Natelson은“수소 결합과 분자가 서로 상호 작용하는 방법에 대한 세부 사항으로 인해 비교적 열린 결정 구조가 있습니다. 눈송이 재배를 돕는 것 외에도이 육각형 구조는 액체 물보다 얼음이 덜 밀집되어 지구 화학, 지구 물리학 및 기후에 큰 영향을 미칩니다. Natelson에 따르면, 얼음이 떠 다니지 않았다면“지구상의 생명은 불가능할 것입니다.”

Kepler의 논문 후, 눈송이 관찰은 과학 이상의 취미로 남아있었습니다. 1880 년대에 버몬트 주 예리코 (Jericho)의 차갑고 품질이 우수한 마을에서 윌슨 벤틀리 (Wilson Bentley)라는 미국 사진 작가는 사진 판을 사용하여 최초의 스노우 크리스탈 이미지를 만들기 시작했습니다. 그는 결국 폐렴에 굴복하기 전에 5,000 개가 넘는 이미지를 제작했습니다.

그런 다음 1930 년대 일본 연구원 우키 치로 나카야 (Ukichiro Nakaya)는 다른 눈 결정 유형에 대한 체계적인 연구를 시작했습니다. 세기 중반까지, 나카야는 실험실에서 눈송이를 생산하여 개별 토끼 털을 사용하여 냉장 공기에 서리 결정을 중단시켜 본격적인 눈송이로 자랄 수 있습니다. 그는 습도와 온도 설정으로 두 가지 주요 결정 유형을 성장시키고 가능한 모양의 주요 카탈로그를 조립했습니다. 나카야는 별은 섭씨 -2도 및 -15 ℃에서 형성되는 경향이 있음을 발견했다. 컬럼은 -5 ℃에서, 약 -30 ℃에서 다시 형성되는 것을 발견했다. 습도가 낮은 습도는 거의 없지만 별은 거의 가지를 형성하고 육각형 판과 비슷하지만, 습도가 높으면 별은 더 복잡하고 레이스 디자인을 자랍니다.

Libbrecht에 따르면, 나카야의 개척 작업 이후 다양한 크리스탈 모양의 이유도 초점을 맞추기 시작했습니다. 결정은 얼굴이 천천히 위로 자라는 동안 가장자리가 빠르게 자라면서 평평한 별과 판 (3 차원 구조가 아닌)으로 자랍니다. 날씬한 기둥은 빠르게 성장하는 얼굴과 느리게 성장하는 가장자리와 함께 다른 방식으로 자랍니다.

그러나 눈 결정이 별이나 기둥과 같이 형성 될지 여부를 지시하는 근본적인 원자 과정은 불투명하게 남아 있습니다. "온도에 따라 어떤 변화가 있습니까?" Libbrecht가 말했다. "나는 그 모든 것을 함께 조각하려고 노력했다."

눈송이 레시피

Libbrecht 와이 문제를 연구하는 연구원의 작은 간부들은 눈송이 레시피를 만들려고 노력해 왔습니다. 그와 마찬가지로, 우리가 실제로 볼 수있는 화려한 다양한 눈송이를 뱉어 낼 수있는 일련의 방정식과 매개 변수입니다.

Libbrecht는 20 년 전에 캡핑 된 기둥이라는 이국적인 눈송이 형식을 알게 된 후 추격을 시작했습니다. 빈 스풀, 또는 두 바퀴와 차축처럼 보입니다. 노스 다코타 원주민으로서 그는 충격을 받았으며“내가 어떻게이 중 하나를 본 적이 없습니까?” 끝없는 형태의 눈에 매료 된 그는 나중에 출판 한 인기있는 과학 책에 대한 자연을 이해하기 시작했으며 사진도 찍기 시작했습니다. 머지 않아 그는 실험실에서 눈송이가 자라는 장비를 뿌렸다. 그의 새로운 모델

그의 주요 혁신적인 혁신적인 것은 표면 에너지 구동 분자 확산이라는 아이디어였으며, 이는 눈 결정의 성장이 어떻게 그것을 형성하는 분자의 초기 조건과 행동에 의존 하는지를 설명합니다.

수증기가 얼어 붙기 시작하면서 물 분자가 느슨하게 배열 된 상상해보십시오. 작은 천문대에서 이것을 보았다면, 얼어 붙은 물 분자가 4 개의 수소 원자로 둘러싸인 각 산소 원자와 함께 강한 격자를 형성하기 시작하는 것을 볼 수 있습니다. 이 결정들은 주변 공기에서 물 분자를 패턴에 포함시킴으로써 자랍니다. 그들은 두 가지 주요 방향으로 자랄 수 있습니다 :위 또는 아웃.

얇고 평평한 결정 (판 모양 또는 별 모양)은 가장자리가 크리스탈의 두면보다 더 빨리 재료로 밧줄로 밧줄을 형성합니다. 급성 한 크리스탈은 바깥쪽으로 퍼질 것입니다. 그러나 얼굴이 가장자리보다 빠르게 자라면 크리스탈이 키가 커져 바늘, 중공 기둥 또는 막대를 형성합니다.

Libbrecht의 모델에 따르면, 수증기는 먼저 결정의 모서리에 정착 한 다음 표면 위로 결정의 가장자리 또는 얼굴로 확산되어 결정이 각각 바깥 쪽이나 위쪽으로 자랍니다. 다양한 표면 효과와 불안정성이 상호 작용함에 따라 이러한 프로세스 중 어느 프로세스가 이기는가는 주로 온도에 따라 다릅니다.

이 모든 것은“프리 멜팅”이라는 현상 때문에 특이한 미네랄 인 얼음에서만 발생합니다. 물 얼음은 일반적으로 녹는 점에 가깝게 발견되기 때문에 상단 소수의 층은 액체와 유사하고 무질서합니다. 프리 멜팅은 온도의 함수로면과 가장자리에서 다르게 발생하지만, 이에 대한 세부 사항은 완전히 이해되지는 않습니다. Libbrecht는“이것은 내가 단지 옷을 입은 모델의 일부입니다.”라고 Libbrecht는 말했다.

그의 새로운 모델은“반 임시”이며, 첫 번째 원칙에서 시작하여 눈송이 성장을 설명하기보다는 관측치와 일치하도록 부분적으로 조정되었습니다. 수많은 분자들 사이의 불안정성과 상호 작용은 너무 복잡하여 완전히 풀기에 너무 복잡합니다. 그러나 그는 그의 아이디어가 더 자세한 측정과 실험으로 살 수있는 포괄적 인 얼음 성장 역학 모델의 기초를 형성하기를 희망한다.

얼음은 특히 이상하지만, 응축 물질 물리학에서도 비슷한 질문이 더 일반적으로 발생합니다. 약물 분자, 컴퓨터 용 반도체 칩, 태양 전지 및 수많은 다른 응용 분야는 고품질 결정에 의존하며, 전체 연구자 그룹은 결정 성장의 기본에 중점을 둡니다.

Meenesh Singh는 시카고 일리노이 대학교에서 그러한 연구원 중 하나입니다. 최근 논문에서 Singh와 공동 저자는 Libbrecht의 눈과 얼음의 위상 변화 결정화와 달리 용매의 결정 성장에 기반을 둔 새로운 메커니즘을 확인했습니다. 용매 결정화에서, 고체 물질은 물이나 다른 액체와 같은 용액에 용해된다. 온도를 조정하고 다른 용매를 첨가함으로써 제조업체는 새로운 약물 분자를 결정하거나 태양 전지를위한 새로운 결정을 생성 할 수 있습니다.

싱은“결정 성장에 관한 모든 응용 프로그램은 경험적으로 다루어진다”고 말했다. "당신은 특정한 경험적 데이터를 가지고 있으며, 그 정보를 사용하여 결정이 어떻게 자라는 지 설명하려고 노력합니다." 그러나 용액의 분자가 결정에 어떻게 통합되는지는 분명하지 않다. “실제로 분자를 운전하는 것은 무엇입니까? 왜 내가 크리스탈에 갈까요? 궁금해지기 시작하면 많은 질문이 생기고 그 질문이 해결되지 않습니다.”

Libbrecht는 더 나은 실험과보다 정교한 컴퓨터 시뮬레이션이 앞으로 결정 성장에 대한 많은 질문에 대답 할 것이라고 생각합니다. "언젠가, 당신은 원자까지 바로 전체 분자 모델을 만들고 이러한 현상이 양자 역학으로 바로 진행되는 것을 볼 수있을 것입니다."

그는 물리학을 풀려고하지만 여전히 눈 결정 사진과 함께 제공되는 여행을 즐깁니다. 그러나 최근에 그는 Sunny Southern California에 머물면서 실험실에서 눈송이를 키우기위한 정교한 시스템을 조작했습니다. 61 세에 그는 퇴직에 가까워지고 있습니다.“저는 다른 직업의 족쇄를 버리고 있습니다. 나는 지금부터 얼음을 만들 것입니다.”

이 기사는 에 재 인쇄되었습니다 wired.com .