ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา
นักฟิสิกส์ Kenneth Libbrecht ได้ศึกษาว่าผลึกน้ำแข็งก่อตัวอย่างไร โดยถ่ายภาพโครงสร้างที่ซับซ้อนของพวกมันหลายพันภาพ เขาอธิบายว่าเขาปลูกเกล็ดหิมะในห้องทดลองของเขาที่ California Institute of Technology ในพาซาดีนาได้อย่างไร และไม่เคยเบื่อหน่ายกับการติดตามของจริงในภาคเหนืออันไกลโพ้น
ทำไมต้องศึกษาเกล็ดหิมะ?
เราเห็นโครงสร้างที่สวยงามเหล่านี้ตกลงมาจากท้องฟ้า และเรายังไม่สามารถอธิบายได้ว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไร เมื่อคุณถามว่าเกล็ดหิมะก่อตัวอย่างไร คุณกำลังถามจริงๆ ว่าโมเลกุลเปลี่ยนจากสถานะก๊าซที่ไม่เป็นระเบียบไปเป็นผลึกขัดแตะที่สั่งได้อย่างไร ปรากฏการณ์ที่ไม่คาดคิดอาจเกิดขึ้นได้ — เกล็ดหิมะเป็นตัวอย่างที่น่าสนใจอย่างหนึ่ง สัณฐานวิทยาที่ซับซ้อนเกิดขึ้นส่วนหนึ่งเนื่องจากพื้นผิวน้ำแข็งต่างกันเติบโตในอัตราที่ต่างกัน สิ่งที่เราเรียนรู้ในที่สุดสามารถนำไปใช้ในวัสดุศาสตร์หรือการประกอบตัวเองในระดับนาโน แต่ฉันก็มีแรงจูงใจที่จะเข้าใจว่าปรากฏการณ์ทางธรรมชาตินี้ทำงานอย่างไร ฉันใช้น้ำแข็งเป็นกรณีศึกษาการเติบโตของผลึก
คุณเห็นรูปร่างแบบไหน?
ความหลากหลายของรูปทรงผลึกหิมะนั้นน่าทึ่งมาก และคุณสามารถเรียนรู้ได้มากมายแม้จะใช้แว่นขยายราคาไม่แพงก็ตาม คุณสามารถค้นหาคอลัมน์กลวง เข็ม กระสุนโบเก้ เดนไดรต์ที่เป็นตัวเอก แผ่นเซกเตอร์ ดาว 12 กิ่ง คริสตัลรูปสามเหลี่ยม และอีกมากมาย หนึ่งในรายการโปรดของฉันคือเสาที่ต่อยอดซึ่งดูเหมือนล้อสองล้อบนเพลา ฉันโตมาในประเทศที่มีหิมะปกคลุมในมลรัฐนอร์ทดาโคตา แต่ฉันไม่เคยสังเกตเสาที่ปิดไว้
จนกระทั่งออกไปค้นหา ไม่ใช่ว่าหิมะทุกเม็ดจะนำมาซึ่งเกล็ดหิมะขนาดใหญ่ แต่บางวันคริสตัลก็งดงามตระการตา
และคุณเป็นช่างภาพเกล็ดหิมะ
ฟิสิกส์มาก่อน แต่ไม่นานฉันก็ติดการถ่ายภาพเกล็ดหิมะเช่นกัน ฉันยอมรับมันเป็นงานอดิเรกแปลก ๆ สำหรับคนที่อาศัยอยู่ในแคลิฟอร์เนียตอนใต้ การตามหาเกล็ดหิมะที่ถ่ายรูปได้ทำให้ฉันเดินทางไปแคนาดา อลาสก้า ญี่ปุ่น สวีเดน และสถานที่ทางตอนเหนือที่เป็นน้ำแข็ง ทำให้ได้ภาพถ่ายมากกว่า 10,000 ภาพ การถ่ายภาพเกล็ดหิมะเริ่มขึ้นในช่วงทศวรรษที่ 1880 โดย Wilson Bentley เกษตรกรชาวอเมริกัน ฉันกำลังพัฒนาฝีมือต่อไป โดยเพิ่มแสงสีและเทคนิคการถ่ายภาพดิจิทัล
ทำไมเกล็ดหิมะถึงเติบโตเป็นรูปแบบที่ซับซ้อนเช่นนี้?
เคนเนธ ลิบเบรชท์. เครดิต: NICK HIGGINS
ผลึกหิมะที่เป็นตัวเอกทั่วไปเริ่มต้นจากปริซึมหกเหลี่ยมขนาดเล็ก ความสมมาตรหกเท่ามาจากความสมมาตรที่อยู่เบื้องล่างของโครงผลึกน้ำแข็ง เนื่องจากมุมทั้งหกของปริซึมยื่นออกไปในอากาศชื้น มุมเหล่านั้นจึงเติบโตอย่างรวดเร็วยิ่งขึ้น และในที่สุดกิ่งหกกิ่งก็แตกหน่อ การเจริญเติบโตนั้นไวต่ออุณหภูมิและความชื้นมาก ซึ่งจะเปลี่ยนไปเมื่อคริสตัลเคลื่อนผ่านก้อนเมฆ กิ่งทั้ง 6 กิ่งจะได้รับสภาพเดียวกันในเวลาเดียวกัน จึงเติบโตพร้อมกัน ผลิตภัณฑ์สุดท้ายคือผลึกหิมะที่มีความซับซ้อนและสมมาตรอย่างคร่าวๆ และเนื่องจากไม่มีเกล็ดหิมะสองก้อนเดินตามเส้นทางเดียวกันผ่านก้อนเมฆ เกล็ดหิมะแต่ละก้อนจึงมีรูปแบบที่แตกต่างกัน
ดังนั้นไม่มีเกล็ดหิมะสองอันเหมือนกัน?
ฉันปลูกผลึกหกเหลี่ยมธรรมดาๆ ในห้องแล็บและหลายๆ อันมีลักษณะเหมือนกัน แม้ว่าจะไม่ได้เหมือนกันในระดับโมเลกุลก็ตาม คำถามที่แท้จริงคือ: มีกี่วิธีในการทำเกล็ดหิมะ? ด้วยรูปแบบที่ซับซ้อน การแปรผันที่เป็นไปได้อาจมีขนาดใหญ่ มากกว่าจำนวนอะตอมทั้งหมดในจักรวาล ดังนั้นความน่าจะเป็นที่จะพบเกล็ดหิมะสองอันที่เหมือนกันภายใต้กล้องจุลทรรศน์จึงน้อยมาก
คุณทำเกล็ดหิมะของนักออกแบบได้อย่างไร?
ในห้องหนึ่ง ฉันทำคริสตัลเล็กๆ นับล้านๆ ก้อน จนกระทั่งเม็ดหนึ่งตกลงบนแผ่นแก้ว จากนั้นฉันก็เริ่มเป่าลมร้อนใส่มัน ซึ่งทำให้คริสตัลโตขึ้นเป็นรูปเห็ด เมื่อโตขึ้น ฉันจะเปลี่ยนอุณหภูมิและความชื้นเพื่อให้ได้จาน กิ่ง และลักษณะพิเศษอื่นๆ ที่ต้องการ มีอีกวิธีหนึ่งที่ใช้ไฟฟ้าแรงสูง โมเลกุลของน้ำเป็นขั้ว ดังนั้นสนามไฟฟ้าที่แรงรอบคริสตัลจึงทำให้เกิดความไม่เสถียรที่ควบคุมไม่ได้ซึ่งทำให้เกิดเข็มน้ำแข็งบางๆ จากนั้นเราก็ปลูกเกล็ดหิมะของนักออกแบบที่ปลายเข็ม
