Afsløring af svaret på et ældgammelt spørgsmål:Hvordan dannes snefnug?

For mere end 400 år siden, den berømte matematiker og videnskabsmand Johannes Kepler spekulerede i skabelsen af ​​en af ​​naturens mest engle- og unikke former:det seks-sidede snefnug. Selvom atomer først ville blive opdaget over to århundreder senere, Kepler grublede åbent over de mikroskopiske byggesten, der førte til iskrystallens sekskantede dannelse, herunder utallige faktorer bag dette tilbagevendende fænomen.

Nu, forskning ledet af en kemiker på Tufts University har besvaret Keplers spørgsmål ved at kaste nyt lys over denne proces ved at kombinere en elektronbackspreder med en stor enkeltkrystal -ismodel. I en undersøgelse offentliggjort i Procedurer fra National Academy of Sciences , forskere opdagede, at en iskrystals flade sider dannes af en sekskant, der er større og består af et centralt vandmolekyle omgivet af seks andre i samme lag.

Mary Jane Shultz, Ph.d., en kemiprofessor på School of Arts and Sciences på Tufts University og første forfatter af undersøgelsen, sagde, at formformet sekskant har tre molekyler i et lag og tre mere lidt lavere i det, der kaldes en dobbeltlagsstruktur. De seks flade sider af et snefnug vokser fra en sekskant dannet i et lag. Denne større sekskant drejes 30 grader i forhold til den sekskantede form i sekskant.

"Snefnug vokser fra vanddamp. Ansigter, der afgiver mest varme (pr. Arealenhed), fordamper, "sagde Shultz." Ansigtet med den mindste varmeafgivelse er den sekskantede flade; næste er den flade flade på den større sekskant. Den flade side af stoleformede sekskant frigiver mest varme pr. Område, som fordamper sig selv. Dermed, snefnugens sekskantede prisme har flade sider, der svarer til den større sekskant. "

Undersøgelsesresultaterne afkræfter tidligere antagelser om, at snefnug vokser fra de flade sider af stoleformet sekskant, Sagde Shultz.

For at bestemme, hvordan dannelsen sker, forskere byggede en model, der afbalancerer varmen, der frigives, når molekyler inkorporeres i det faste gitter mod sandsynligheden for vellykket vedhæftning. Ved at kombinere makroskopiske og molekylære teknikker kunne teamet undersøge den samme overflade i forskellige skalaer.

Den makroskopiske sonde har været brugt i årtier til at undersøge is. Denne teknik producerer de smukke visuelle billeder af den makroskopiske sekskantede form. Sonden på molekylært niveau er nyere. Mens en røntgenstråle normalt bruges til at vise molekylært niveau, Shultz og hendes team valgte at bruge elektronens backscatter -diffraktionsteknik, som producerer orienteringstæthed plots, der er mere illustrerende og visuelt overbevisende.

"Omhyggelig prøveorienteringssporing gjorde det muligt for os at forbinde de to billeder for at producere forbindelsen, " hun sagde.

Undersøgelsen bekræftede, at snefnugspunkter stemmer overens med de krystallografiske akser vist som hot spots i elektronens tilbagespredningsdata. Betydningen er, at den flade side af et snefnug består af en dobbeltlagsstruktur. Basalfladen er en sekskant i form af en form; op-ned ændringen danner et dobbeltlag. Den flade side er en sekskant i bådform, der består af par vandmolekyler, der bygger bro mellem par i den nederste halvdel af dobbeltlaget. Fleksibilitet og mobilitet for et par forventes at resultere i enestående reaktivitet i dette ansigt, herunder potentielt katalyserende omdannelse af gasser som CO2 og nitrogenoxider i atmosfæren. Shultz sagde, at teamet nu undersøger denne reaktivitet.