氷晶

たくさん 氷晶 それらは、独特で印象的な形をしているため、常に科学者による研究の対象でした。 顕微鏡でそれらを見ると、それらが見事な幾何学的形状を持っていることがわかり、これらの幾何学的形状が自然界で生成される理由は驚くべきものです.

この記事では、氷の結晶に関連するさまざまな研究の結論と、これまでに発見されたものについて説明します。

氷の結晶の形成

高度に対称的な形状は、水が氷の結晶に直接堆積して蒸発する貯水池の成長によるものです。 周囲の温度と湿度に応じて、 氷の結晶は、多くの対称的な方法で最初の六角柱から成長する可能性があります。 氷の結晶の可能な形状は、柱状、針状、板状、および樹枝状です。 結晶が異なる環境条件の領域に移動すると、成長モードが変化し、最終的な結晶が混合モードを示す場合があります。

氷の結晶は、長軸が水平に整列した状態で落下する傾向があるため、偏波気象レーダーで強化された (正の) 微分反射値で見ることができます。 氷の結晶の負荷は、水平以外の整列を引き起こす可能性があります。 偏波気象レーダも帯電した氷の結晶をうまく検出できます。 温度と湿度は、多くの異なる結晶形を決定します。 氷の結晶は、いくつかの大気の光学的症状の原因となっています。

凍った雲は氷の結晶でできており、特に巻雲や凍った霧がそうです。 対流圏の氷の結晶により、青い空がわずかに白くなります。これは、湿った空気が上昇して氷の結晶になるため、前線 (および雨) が近づいていることを示している可能性があります。

常温常圧では、 水分子は V 字型で、105 つの水素原子が XNUMX° の角度で酸素原子に結合しています。 一般的な氷の結晶は対称的で六角形です

17 層のグラフェンの間で圧縮すると、室温で正方形の氷の結晶が形成されます。 素材は他の10.000個の氷と結合した新しい氷晶相。 この研究は、ヘリウムのような小さな分子とは異なり、水蒸気と液体の水が積層酸化グラフェンのシートを通過できるという以前の発見に続くものです。 この効果は、XNUMX 気圧を超える圧力を伴うファン デル ワールス力によって引き起こされると考えられています。

氷の結晶に関する研究

CSIC とマドリッドのコンプルテンセ大学の研究者によってバルセロナのマレノストラム スーパーコンピューターで実行されたシミュレーションは、氷の結晶の奇妙な成長の鍵がその表面構造にあることを確認しました。

氷の表面は、さまざまな程度の無秩序で、XNUMX つの異なる状態になる可能性があります。 あるものから別のものへの通路は、に急激な変化をもたらします 気温の上昇に伴う成長率と、さまざまな方法の説明 (平らな、六角形、またはその両方) 大気中の氷または雪の結晶から。

これらの特定の結晶の変化と成長の鍵は、それらの表面構造です。 マドリッドのコンプルテンセ大学 (UCM) の研究者ルイス・ゴンザレス・マクダウェル、科学研究高等弁務官のロッカ・ソラノ物理化学研究所 (IQFR) のエヴァ・ノヤ、および両機関のパブロ・ロンバートによって行われた研究は、このことをいくらか示しています。 . この記事は、Science Advances 誌に掲載されました。

「この変化の理由は今まで謎でした」とゴンザレス・マクダウェルは言い、日本の研究者中谷宇吉郎が1930年代にダイヤモンドダストと呼ばれる最小の氷の結晶を発見したことを思い出して、六角柱のような形をしています. これらのプリズムは、ひし形のように平らな場合もあれば、鉛筆や六角柱のように細長い場合もあり、特定の温度で XNUMX つの形状から別の形状に変形することができます。

シミュレーション

研究者たちは、低温では氷の表面が滑らかで比較的整然としていることを観察しました。 蒸気分子が表面に衝突すると、 突入してすぐに蒸発する場所を見つけることができず、 これにより、結晶の成長が非常に遅くなります。

しかし、温度が高くなると、氷の表面はより無秩序になり、多くのステップが発生します。 蒸気分子はステップ上で簡単に場所を見つけることができ、結晶は急速に成長します。

「この変化は段階的なものではなく、トポロジカル トランジションと呼ばれる非常に特殊なトランジションによって発生したことがわかりました。 しかし、氷をさらに珍しいものにしたのは、突然、結晶の外殻が溶けたときに、表面が再び滑らかで乱雑になったことです」とノアは言いました.

再び非常に滑らかになると、結晶のその側では結晶成長が非常に遅くなりますが、反対側ではそうではありません. 急激に成長するものもあれば、ゆっくり成長するものもあり、結晶の形が変化し、 中谷が90年以上前の実験で観察したように。

MareNostrum でのシミュレーション

氷は複雑な物質であり、その急速な蒸発のために実験技術を使用して研究する必要があることを考えると、シミュレーションはスペイン最大のコンピューターである MareNostrum (BSC-CNS) で XNUMX か月間実行されました。

「計算作業により、結晶を形成する各水分子の経路を決定することができました。 もちろん、小さな結晶を形成するには数十万個の分子が必要なので、この研究を行うために必要な計算量は膨大です。 ロンバート・セイは言います。

González MacDowell 氏は、これらの結果は「非常に興味深いものですが、科学的研究は常に新しい計算と検証によって確認する必要があります. このような注意にもかかわらず、資金調達に失敗した多くの試みがあったため、私たちの努力が興味深い結果という形で実を結んだことを嬉しく思います。」

さらに、化学者は、大気中の雪の結晶が地球温暖化に重要な役割を果たしていることを思い出します。気候変動への影響を理解するには、その形と成長率を理解する必要があります. したがって、理解を深めることで、数百万ドルのパズルに別のピースを入れることができます。」

この情報で、氷の結晶とその特徴について理解を深めていただければ幸いです。