Today I Learned：如何凝结一片雪花？你需要——兔子毛

科学家如何在实验室里重现一朵人造雪花？这过程需要充满水蒸气的低温环境，同时又必须有合适的凝结核供雪花生长。而世界上的第一朵实验室雪花（下图左侧，右侧是一片天然雪花），它生长在一根兔子毛上。

1885年，摄影师Wilson Bentley第一次记录下了显微镜下的雪花之美，而第一朵人造雪花则是中谷宇吉郎的实验成果。1932年，中谷宇吉郎来到北海道大学后，他选择了当地丰富的雪作为自己的研究对象。在这个雪国之地，他首先做的还是观察，通过3000幅显微镜照片，他将雪花分成了7大类41小类。为了研究雪花的形成，他建立了低温实验室，想要在实验室的可控环境下制造出人工雪花。

（中谷宇吉郎的雪花图鉴）

雪花和一般的冰不同，它是水蒸气不经过液态直接凝华而成的。当小冰核从高空落下时，空气中的水蒸气就会在小冰核上生长。由于生长方式对环境十分敏感，雪花也因此有了各种形状。在实验室里，可以将凝结核固定在充满水蒸气的低温管里，来模拟雪花的生长。中岛遇到的最困难的事是选择凝结核：很多凝结核都会直接结出大量的雪，无法获得单一的雪花。最终，他发现兔子毛可以完成制造单片雪花的任务：兔毛纤细，是很好的凝结核材料，而其中的天然油脂又可以阻止多片雪花同时凝结。

中谷最著名的研究结果是一张被称为中谷图的雪花形状图，其中阐述了不同温度和过饱和度下的雪花形状。我们通常所见到的片状分叉雪花会在0到-5度，或-10到-20度，且过饱和度比较高的情况下产生。-5到-10度之间则是会出现针状或空心柱状。过饱和度较低的情况下则是不分叉的六边形。

（不同条件下的雪花形状规律）

在那之后，科学家们对雪花的研究越来越深了。时钟转到现在，加州理工大学的教授Kenneth Libbrecht通过精细控制温度和过饱和度随时间的变化，可以制造出指定形状的雪花（这位科学家同时参与了LIGO相关的研究项目……）。当然，现在已经不用兔毛来当凝结核了，而是使用干冰加水蒸气生产出的小冰核作为凝结核——这和人工降雪使用的是类似的技术。

Libbrecht把雪花的生长分成面生长和分叉生长两种模式，前者可以让雪花长出六边形的片，后者让雪花产生分叉。事实上，天然形成的雪花里面还是不规则的居多，真正成六角对称的反而是需要特意找才能找出来的。由于落下的时候会有些融化，因此边缘也不是很尖锐。和Bentley所拍摄的天然雪花图片相比，Libbrecht所制造出的雪花就精致得多，也有更好的对称性了。

Libbrecht还曾将两个凝结核小冰晶放在相同的实验环境中，结果就得到了两片几乎一样的“双生雪花”：

此时，距离Bentley得到第一朵雪花的照片已经过去了一百三十年，而地球上的雪，已经下了45亿年。

附加小知识：

1.雪花具体是怎么分类的？

雪花的形态分类其实挺复杂的，每个研究者都有自己的一套思路，不过大形态上他们还是意见统一的。国际雪冰委员会（International Commission on Snow and Ice）的分类法将雪花分成了如下七个大类：片状、星状、柱状、针状、多枝状、轴状、不规则状（他们顺手补充了霰、冰丸和冰雹这三类，不过这三种不属于雪）。有兴趣可以在这里了解详情：http://unesdoc.unesco.org/images/0018/001864/186462e.pdf

2.别的气体能凝结成雪花吗？比如说二氧化碳

因为研究火星的关系，所以的确有人在做二氧化碳雪相关的课题。二氧化碳雪结晶是截半立方体（Cuboctahedron），大小大概只有雪花的1/100那么大，和雪花相比也没有什么片状与复杂的对称结构。主要原因是二氧化碳的键角是180度，而水的H-O键角之间大概是104.5度，因此结构上不会有以六边形为基础的状态。另外二氧化碳分子间也没有氢键约束，所以小。（简单说就是，二氧化碳雪没那么好看……）

二氧化碳雪，图很模糊不过还是能看出来明显的截半立方体的特征的：

左边那个是雪，旁边的一点点是二氧化碳雪，右边是它放大的样子：

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酷炫科学的PS：雪花确实有很多种形态，甚至还有一种12分支的雪花，它是由两个6分支雪花合体形成的，感觉非常漂亮：

然而！下面这种八角形的雪花是真的不存在的……