邁向雪花的大統一理論，雪花結晶理論之父提出新思路

　　關於雪花的形狀，雖然早在公元前 135 年，我國漢代文學家韓殷就對此提出過疑問，寫道：「植被之花，均爲五瓣，雪花卻有六瓣」，但直到公元 1611 年，纔有德國天文學家開普勒在其送給贊助者的一份文章中提出，<strong>「雪花的六角形外觀絕非偶然，其背後必定有着什麼尚不爲人所知的原理，或許於天然造成的六角形就是天然界中最小的液體單位呈現形態」</strong>。
　　然而，就是北國之地如此常見的雪花，對於<strong>「雪花爲何會有那些特有的形狀」 和「究竟有哪些因素影響着雪花的外形」這兩個如此簡單的問題，咱們至今也沒有答案</strong>。
　　近代對於雪花晶體成型的系統性研究始於 1930 年，日本科學家 Ukichiro Nakaya 開始對該問題進行研究，經過對溫度和溼度進行控制，到 50 年代發現「星型的雪花傾向於在零下 2 到 15 攝氏度造成，柱形雪花則傾向於在零下 5 到 30 攝氏度造成，而星型雪花的造成過程在低溼度環境中不易出現分支，在高溼度環境中則傾向於長出更復雜、更高級的花邊結果」。
　　雖然<strong>Ukichiro Nakaya 的開創性工做對晶體形狀結構的研究作出了很大貢獻，也引發了人們對於晶體生長問題的注意</strong>，好比有晶體在 「邊緣極速向外擴張，在垂直於面的方向上成長緩慢」 的狀況下，會傾向於長成更接近於二維的平面結構，但現代雪花問題的研究者，Kenneth Libbrecht 認爲，Nakaya 並沒能找出具體是什麼在隨着溫度和溼度而改變，而探究這一問題對於揭開雪花成型之謎來講相當重要。
　　Kenneth Libbrecht 自 2000 年左右開始研究雪花成型問題，當時他因得知別的地區有着與其家鄉徹底不一樣的 「帶蓋柱形」 雪花形狀而震驚，便從那時起開始與同事着手構建一個能經過關鍵參數判斷雪花會長成什麼形狀的算法。
　　Libbrecht 是物理學家。他在加州理工學院一直研究太陽的內部結構，並開發了先進的引力波探測儀器。但 20 年來，探究雪花的奧祕一直是 Libbrecht 的最大興趣所在，他的持續研究讓人們對雪花的結晶過程有了深入的認識，他也稱爲「雪花結晶理論之父」。
　　而在他於近期發表的一篇論文中，Libbrecht 描述了一個已經相對成熟的想法。
　　<strong>他的理論核心是一個名爲 「被表面能量所驅動的分子擴散」 概念</strong>，試圖從數學上對雪晶生長環境與雪晶生長行爲和最終形狀之間的關係給出解釋，也就是找出影響雪晶生長過程的核心因素，以及這些因素與雪晶生長表現間的具體關係。
　　若是從微觀世界的角度觀察一塊雪花的造成，起初排布鬆散的水分子會隨着溫度下降，造成一個個氧原子在中心、氫原子在周圍的鋼性晶格，並經過持續捕捉周圍空氣中的水分子向上（垂直於雪花平面的方向）或向外生長，當向外生長的速率大於向上生長的速率時，雪花便會長成偏向 「扁平」 的板狀或星狀，而當向上生長的速率較大時，<strong>雪花便會長成偏向 「柱體」 的柱狀或棒狀</strong>。
　　根據 Libbrecht 新提出的模型，水氣在雪晶生長的過程當中會首先落在晶體的角上，而後再擴散至晶體的邊緣或其餘表面，致使晶體向外或向上生長。此時，各類晶體表面效應相互做用，而哪一種效應可以最終演變爲影響晶體生長的主體效應，則主要取決於晶體生長環境的溫度。
　　<strong>因爲一種名爲 「預融化」 的現象，咱們之前僅在 「冰」 中可以肯定溫度對晶體生長過程的具體影響</strong>，寫出影響方程，但 「冰水混合物」 通常僅能在熔點溫度環境下被觀察到，其表面的液態成分雜亂無序，形成其預融化現象的行爲和特徵與冰有所不一樣，甚至具體的影響方程也在此前不爲人所知，而這也正是 Libbrecht 在新論文中爲學界所剛剛補上的一個缺口。
　　<strong>雖然 Libbrecht 的研究方法並非純粹地從熱力學及晶體理論出發，推導出影響式，而是經過實驗觀察寫出與部分理論結合的 「經驗主義」 方程。</strong>但一樣在從事晶體生長研究的芝加哥伊利諾伊大學研究員 Meenesh Singh 表示，一直以來，經驗主義就是晶體研究中不可或缺的一部分，咱們在平常研究中每每是基於實驗數據嘗試對晶體的生長行爲提出解釋，而 Meenesh 新發表的一篇關於溶劑內的晶體生長行爲的研究也正是如此，雖然只是基於實驗觀測所提出的假設，但這些信息的確可以幫企業優化它們的生產，好比藥企的藥物分子晶體培養和太陽能電池的材料研發。Meenesh 說：「若是你細究晶體學中的不少問題，你會發現目前咱們對不少問題都沒法給出使人滿意的答案。」
　　對此，現年已 61 歲的 Libbrecht 認爲，隨着技術的進步，那些謎團總有一天能被解開。Libbrecht 說：「<strong>藉助愈來愈複雜且健全的計算機模擬，咱們總有一天能從分子到原子甚至是到最爲底層的量子力學中構建出一套完善描述體系。</strong>我如今雖因年齡問題即將退休，但這意味着我將能把更多的精力都投入到研究中，比此前更‘全身心’地沉浸在解決晶體生長問題的過程裏。」