Теперь исследования, проведенные химиком из Университета Тафтса, ответили на вопросы Кеплера, пролив новый свет на этот процесс, объединив обратное рассеяние электронов с большой моделью льда из монокристаллов. В исследовании, опубликованном в Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые обнаружили, что плоские стороны ледяного кристалла образованы шестиугольником, который больше и состоит из центральной молекулы воды, окруженной шестью другими в том же слое.
Мэри Джейн Шульц, доктор философии.D., профессор химии в Школе искусств и наук Университета Тафтса и первый автор исследования сказал, что шестиугольник в форме стула имеет три молекулы в одном слое и еще три молекулы чуть ниже в так называемой двухслойной структуре.
Шесть плоских сторон снежинки вырастают из шестиугольника, образованного одним слоем. Этот больший шестиугольник повернут на 30 градусов относительно шестиугольника в форме кресла.
"Снежинки растут из водяного пара. Лица, выделяющие больше всего тепла (на единицу площади), испаряются ", — сказал Шульц. «Грань с наименьшим тепловыделением — это шестиугольная грань; следующая — плоская грань большего шестиугольника.
Плоская сторона шестиугольника в форме стула выделяет больше всего тепла на площадь, которое испаряется сам. Таким образом, шестиугольная призма-снежинка имеет плоские стороны, соответствующие большему шестиугольнику."
Результаты исследования опровергают предыдущие предположения о том, что снежинки растут с плоских сторон шестиугольника в форме стула, сказал Шульц.
Чтобы определить, как происходит образование, исследователи построили модель, которая уравновешивает тепло, выделяемое при включении молекул в твердую решетку, с вероятностью успешного присоединения. Сочетание методов макроскопического и молекулярного уровней позволило команде исследовать одну и ту же поверхность в разных масштабах.
Макроскопический зонд десятилетиями использовался для исследования льда.
Эта техника позволяет создавать красивые визуальные изображения макроскопической шестиугольной формы. Зонд молекулярного уровня более новый. В то время как рентгеновские лучи обычно используются для определения молекулярного уровня, Шульц и ее команда решили использовать метод дифракции обратного рассеяния электронов, который позволяет получать графики ориентационной плотности, которые являются более наглядными и визуально убедительными.
«Тщательное отслеживание ориентации образца позволило нам связать два изображения для установления связи», — сказала она.
Исследование подтвердило, что точки снежинок совпадают с кристаллографическими осями а, показанными как горячие точки в данных обратного рассеяния электронов.
Смысл в том, что плоская сторона снежинки представляет собой двухслойную структуру. Базальная грань представляет собой шестиугольник в форме стула; изменение вверх-вниз образует бислой. Плоская сторона представляет собой шестиугольник в форме лодочки, состоящий из пар молекул воды, соединяющих пары в нижней половине бислоя. Ожидается, что гибкость и мобильность пары приведет к уникальной реакционной способности этой поверхности, включая потенциально катализирующую конверсию газов, таких как CO2, и оксидов азота в атмосфере.
Шульц сказал, что команда сейчас исследует эту реактивность.