雪の結晶がどのように形成されるかは、これまでずっと謎でした。この物理学者は、その謎を解明したいと考えています。

テクノロジートラベラー北京ニュース 1 月 3 日:ケネス・リブブレヒトは、この寒い冬に暖かく快適な南カリフォルニアを離れ、アラスカ州フェアバンクスに行くという壮大な計画を立てています。冬の気温はほぼ常に氷点下。厚手のパーカーを着て、カメラとスポンジボードを持ち、地面に座り、大雪が降るのを待った。

ここで彼が待っていたのは、自然が作り出すことのできる最も明るく、最も鋭く、最も美しい雪の結晶でした。同氏によると、スーパースノーフレークはフェアバンクスや雪の多いニューヨーク州北部など、最も寒い地域で発生する傾向があるという。研究を通じて彼が目にした最も良質の雪片は、オンタリオ州北東部の辺鄙なコクランから来たものだ。そこは風が非常に弱いため、雪片がほぼ雲から直接降ってくる。

リブレヒトは、自然環境の中で考古学者のような忍耐力でコレクションプレートを検査し、最も完璧な雪の結晶やその他の結晶を探します。 「この仕事では、良質の雪の結晶を見つけるために目視が必要です。雪の結晶が板の上にない場合は、雪の結晶を掃き取って、もう一度やり直します。この作業全体を数時間にわたって繰り返す必要があります。」と説明した。

リブレヒト氏はカリフォルニア工科大学で太陽の内部構造の研究と先進的な重力波検出器の開発を専門とする物理学者です。しかし、20年間、雪の結晶を研究することに対するリブブレヒトの情熱は一度も薄れることはなく、彼は外見だけでなく、雪の結晶の形を形成する内部的な理由にもっと関心を抱いています。彼は感慨深げにこう語った。「空から落ちてくるこれらの創造物を見ると、なぜこのような形になっているのかいつも不思議に思うのです。」

物理学者たちは75年間もの間、小さな結晶である雪の結晶には主に2つの種類があることを知っていました。 1 つは象徴的な平らな星型で、6 枚または 12 枚の花びらがあり、それぞれに美しいクリスタルの延長部があり、万華鏡のように輝きます。もう 1 つは円筒形で、片方の部分は 2 つの薄い層状クリスタルに挟まれたように見え、もう片方の部分は金物店でよく見かけるボルトのように見えます。雪の結晶の形は環境、温度、湿度に関係していますが、その形成の具体的な理由は常に謎でした。

長年にわたるリブブレヒト氏の綿密な観察により、雪片の結晶化プロセスに対する理解が深まりました。フランスのルーアン大学の材料科学者ジル・ドマンジュ氏も雪の結晶に非常に興味を持っている。同氏は「ケネス・リブレヒト氏はこの分野の『リーダー』と言えるでしょう」とコメントした。 ”

現在、リブブレヒト氏は、現場での観察結果を結晶化の新しい理論モデルにまとめ、雪片やその他の雪の結晶がどのように、そしてなぜ形成されるのかを説明しようとしている。今年10月に発表された論文では、氷点付近での水分子の運動について説明し、この分子の特定の運動法則に基づいて、さまざまな条件下での結晶形成の全プロセスを説明した。リブレヒトは、別の 540 ページのモノグラフでも、雪の結晶に関するすべての知識を説明しました。ライス大学の物性物理学者ダグラス・ナテルソン氏は、この本を「ツール・ド・フランスと同じくらい厳しい」と評した。

「簡単ではないが、本当に素晴らしい成果だ」とナテルソン氏は結論付けた。

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▲写真：カリフォルニア工科大学の物理学者ケネス・リブブレヒト氏がオンタリオ州コクランで調査を行っている。良質の氷の結晶が発泡ボードの上に落ちると、彼はそれを小さなブラシで拾い上げ、スライドガラスに移して顕微鏡で観察しました。

ヘキサゴンについて

「雪の結晶は二つとして同じものはない」という諺を皆さんは聞いたことがあるでしょう。これは空気中で結晶化する過程から生じる事実です。雪は本質的には大気中で形成され、地面に落ちてもその形を保ったままの氷の結晶の集まりです。雪片は、大気の温度が十分に低い場合にのみ形成され、そうでない場合は、融合したり溶けたりして、最終的にはみぞれまたは純粋な雨滴に変わります。

雲内の温度と湿度のレベルは大きく変化しますが、これらの変数は単一の雪片に対しては実質的に一定です。このため、雪の結晶は対称的な構造を形成することがよくあります。一方、それぞれの雪片は実際には風や光の当たり方、その他の変数の影響を受けており、「こうした混沌とした要因により、それぞれの氷の結晶はわずかに異なる形をしている」とタフツ大学の化学者メアリー・ジェーン・シュルツ氏は雪片の物理学に関する最近の論文で指摘した。

雲には幅広い温度と湿度レベルがありますが、雪片の場合、これらの変数はほぼ一定です。そのため、雪片は通常、対称的な構造で成長します。一方、雪片は実際には風や光への露出、その他の変数の影響を受けると、タフツ大学の化学者メアリー・ジェーン・シュルツ氏は雪片の物理学に関する最近の論文で指摘した。彼女は、それぞれの氷の結晶がこれらの混沌とし​​た要因の影響を受けるため、その形はわずかに異なるだろうと説明した。

雪の結晶の構造に関する観察と研究は、紀元前 135 年の中国にまで遡ります。当時、西漢の詩人、韓英は『漢詩外伝』の中で雪片について次のように表現しています。「植物の花はほとんどが5枚の花びらだが、雪片は6枚の花びらだ。」この文章は、普通の花や植物はほとんどが5枚の花びらだが、雪片は6枚の花びらを持っているという意味です。これは古代人による雪の結晶の形状に関する最も古い説明と要約であるはずです。少なくとも2000年以上前の西漢の時代には、中国人は雪片に対してすでに非常に詳細な理解、観察、研究を行っていたことがわかります。後世の多くの詩では「6枚の花びらの雪片」という暗示が使われています。詩人たちの手によって、雪片は古代中国の詩の古典的なイメージとなり、独特の文学的地位を獲得しました。それでも、雪の結晶の理由を真剣に研究したいと思った最初の科学者は、ドイツの科学者であり博物学者であったヨハネス・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世に新たな贈り物、「六角形の雪片」と題する論文を贈りました。ケプラーは、プラハのカレル橋を渡っているときに、襟に雪の結晶が付いているのに気づき、それが雪の結晶の幾何学について考えるきっかけになったと書いています。 「雪の結晶の六角形構造には理由があるはずだ」と彼は書いている。「偶然ではあり得ない」

彼はまた、探検家ウォルター・ローリー卿の航海士を務めた同時代の英国の科学者で天文学者のトーマス・ハリオットからの手紙を思い出した。 1584 年頃、ハリオットは船の甲板に砲弾を積み重ねる最良の方法を見つけるという問題に直面し、球体を密に詰めるには六角形の構造が最良の方法であると思われることを発見しました。ハリオットはケプラーにこのことを話しました。ケプラーは、自然の雪片でも同じようなことが起こるのではないか、そして雪片の6つの面が固定されて「水滴のような最小の自然液体単位」を形成できるのではないかと考えました。

▲ 写真: 顕微鏡で見た平らな雪の結晶。

これは実際には原子物理学における初期の研究アイデアでしたが、この分野全体が正式に確立されたのは 300 年前でした。実際、水分子は、2 つの水素と 1 つの酸素とともに、六角形の配列で固定される傾向があります。ケプラー氏とその同僚たちは、当時これがどれほど重大なことなのか理解していませんでした。 「水素結合と分子相互作用の細部により、比較的開いた結晶構造が実現します」とナテルソン氏は言う。この六角形構造は、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、気候の形成と挙動に大きな影響を与える。もし氷が浮けなかったら、「地球上に生命が存在することは不可能だ」と彼は主張した。

ケプラーの論文は出版されたが、雪の結晶の観察は趣味の域を出ず、科学の範疇には程遠かった。 1880 年代、バーモント州ジェリコ地域の寒くて良質の雪が降る村出身のアメリカ人写真家ウィルソン・ベントレーが、フィルムを使って初めて雪の結晶の写真を撮る実験を始めました。彼は肺炎で亡くなる前に、5,000枚以上の雪の結晶の写真を残しました。

▲写真：日本の物理学者中谷浩一郎氏は、数十年にわたりさまざまな種類の雪の結晶の研究に取り組んできた。

次に、1930年代に、日本の研究者中谷幸一郎がさまざまな種類の雪の結晶の体系的な研究を始めました。 19 世紀半ばまでに、中谷は実験室で雪の結晶を作る実験を始め、ウサギの毛を使って凍った空気中に霜の結晶を浮かべ、徐々に完全な雪の結晶に形を整えていきました。彼は湿度と温度の設定を絶えず調整しながら、2 つの主なタイプの氷の結晶の形成メカニズムを研究し、考えられる結晶の形状の画期的なカタログをまとめました。中谷氏は、星型の構造は摂氏マイナス2度からマイナス15度の環境で形成されることが多いのに対し、円筒形の構造は摂氏マイナス5度からマイナス30度の環境で形成されることが多いことを発見した。湿度が低い条件下では、星形の雪片は枝が少なく、六角形の結晶に似ていますが、湿度が高い条件下では、星形の雪片はより複雑で鮮やかな構造を発達させることができます。

リブレヒト氏は、中谷で一連の先駆的な研究が完了した後、人々はようやくさまざまな形の雪の結晶が形成される理由に注目し始めたと紹介した。エッジが横方向には急速に成長し、縦方向にはゆっくりと成長すると、雪片は（3 次元構造ではなく）平らな星のようなプレートのような構造になる傾向があります。対照的に、柱状の雪片は、垂直方向の成長は速いが、横方向の成長は遅い結果として生じます。

しかし、雪の結晶が星を形成するか柱を形成するかを決定する根本的な原子プロセスは未だ不明です。 「気温の変化はどのような影響を与えるのでしょうか。私はずっとこうした要素を統合したいと思っていました」とリブブレヒト氏は語った。

スノーフレークのレシピ

リブレヒト氏と彼の研究チームは、雪の結晶の形成のレシピ、つまりスーパーコンピューターに入力すると多種多様な雪の結晶を生成できる一連の方程式とパラメーターを発見したいと望んでいた。実際、彼らは成功しました。

リブレヒトは、この珍しい雪の結晶構造、つまり蓋付きの柱の存在を知った後、20年にわたる研究プロジェクトを開始しました。この雪の結晶は、よく知られている糸巻き機、または車軸でつながれた 2 つの車輪のように見えます。ノースダコタ州出身のリブブレヒトは、「なぜ今までこんな雪の結晶を見たことがなかったのだろう？」と驚き、好奇心を抱きました。雪の結晶へのこだわりから、彼はその後、雪の結晶の特性を説明した科学の本を出版しました。すぐに彼は自身の研究室でさまざまな種類のスノーフレーク製造装置を製造し始めました。彼が提案した最新のモデルは、数十年にわたる観察と近年の実際の生産を組み合わせた共同製品であると言える。

彼が提唱した重要なブレークスルーは、表面エネルギー駆動拡散として知られる分子拡散のメカニズムでした。この考え方は、初期条件が雪の結晶分子の活動にどのように影響し、最終的に雪の結晶の形状を決定するかを説明しています。

水分子が最初に凍り始めるとき、分子はまだ比較的緩く配置されていると想像してください。顕微鏡で観察すると、冷たい水分子が硬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。これらの格子は空気中の水分子を継続的に吸収し、それによって自己成長を実現します。成長方向には水平成長と垂直成長の2種類があります。

横方向の吸収率が縦方向の吸収率を超えると、雪片は最終的に薄く平らな結晶（板状または星形）として現れます。これは、新しく形成された結晶が横方向に広がり続けることを意味します。しかし、縦方向の吸収率が横方向の吸収率よりも高い場合、結晶の高さは増加し続け、最終的には針状、中空の円筒状、または棒状の構造を形成します。

リブレヒトのモデルによれば、水蒸気はまず結晶の角に沈着し、その後表面全体にわたって結晶の端または中心に拡散します。これはそれぞれ結晶の横方向および縦方向の成長に対応します。さまざまな表面と不安定性の相互作用の下で、「温度」が最終的にどの成長方法が勝つかを決定する鍵となります。

これらすべては「氷」と呼ばれる珍しい物質でのみ起こり、この現象は「前融解」と呼ばれます。水と氷の混合物の温度は融点に限りなく近いため、上部の数層は無秩序な液体状態のように見えます。予備溶融が水平方向に発生するか垂直方向に発生するかは主に周囲温度によって左右されますが、詳細な原理はまだ十分に解明されていません。 「私が提案したモデルはまだ非常に粗く、細部をさらに改良する必要がある」とリブブレヒト氏は語った。しかし、全体的な外観に関する彼の仮説は非常に妥当なものと思われる。

▲ 図：円筒形の雪の結晶の例。

彼の新しいモデルは「半経験的」であり、雪片の成長の根本的な説明を一から提供するというよりは、観察に基づいて部分的に調整されたものである。これは理解できることです。結局のところ、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、自分の研究結果が包括的な「氷結晶成長ダイナミクスモデル」の基礎を築き、最終的にはより詳細な測定と実験を通じて厳密で信頼できる結論を導き出せることを期待している。

「氷」は自然界では非常に特殊なものですが、同様の問題は凝縮物質物理学の分野ではよく見られます。薬物分子、コンピューター用の半導体チップ、太陽電池、その他数え切れ​​ないほどの用途はすべて、高品質の結晶の物理的および化学的特性に依存しており、そのため、数え切れないほどの研究者が結晶成長の理論的研究に専念してきました。

ミーネシュ・シンはイリノイ大学シカゴ校の研究者です。彼と他の数名の著者は最近、溶媒中で結晶がどのように成長するかという謎を解明するのに役立つ可能性のある新しいメカニズムを特定する論文を発表しました。溶媒環境における結晶の成長は、Libbrecht が関心を持つ氷や雪の相転移結晶化とは異なります。溶媒結晶化とは、固体を水などの液体に溶かして結晶化させる方法です。温度を調整したり、他の溶媒を加えたりすることで、新しい薬物分子の結晶を生成したり、太陽電池用の新しい結晶を製造したりすることができます。

「現在、結晶成長の応用はすべて経験に基づいています」とシン氏は述べた。「私たちは部分的な経験的データしか持っておらず、その情報に基づいて結晶がどのように成長するかを説明しようとしています。」彼は、溶液中の分子がどのように結晶に組み込まれるかはまだ明らかではないことを強調した。 「分子が結晶化し始めるにはどのような影響があるのでしょうか？ 単一分子が結晶に変化する理由は何でしょうか？ この方向で考えれば、説明も解決もできない新たな問題がどんどん見つかるでしょう。」

リブレヒト氏は、より厳密な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機能により、今後数年間で結晶成長に関連する困難が徐々に明らかになると確信している。同氏は「いつの日か、人類は完全な分子モデルを構築できるようになり、それが原子単位にまで精緻化され、現象の観察プロセス全体が量子力学レベルに達するまで継続されるだろう」と語った。

彼は今でも、カメラを持って氷と雪を追いかける旅に出かけるのが好きです。最近、彼は太陽が降り注ぐ南カリフォルニアで時間を過ごしており、研究室で雪の結晶を生成するための高度なシステムを組み立てている。現在61歳になる彼は、「ゆっくりと引退して、心を込めて氷と雪に取り組み始めることができます」と心から語った。