Кеннет Г. Ліббрехт вивчав утворення крижаного кришталю протягом 20 років і розробив техніку, яка дозволяє одночасно виробляти дві майже однакові пластівці.
Опубліковано 01.02.2016 20:29 Оновлено
У лабораторіях Каліфорнійського технологічного інституту під інтенсивним сонцем Пасадени є хлопець, який проводить день, роблячи сніжинки і розглядаючи їх під мікроскопом. Кеннет Г. Ліббрехт Він 20 років намагався зрозуміти, як утворюються ці кристали і які секрети приховує їх геометрія. Минулого літа, на подив тих, хто розуміє складність цих процесів, фізику вдалося створити дві практично однакові сніжинки, які ростуть одночасно і з однаковою симетрією.. "Це було напрочуд не дуже складно", - пояснює він Next. "Вам просто потрібно вирощувати їх ні занадто близько, ні занадто далеко один від одного".
"Процес практично такий самий, як той, що відбувається всередині хмари"
За останні два десятиліття Ліббрехт розробив різні техніки отримання сніжинок, які потім фотографує та демонструє на своєму веб-сайті Снігові кристали.. За його словами, одна з систем полягає в тому, щоб наповнити камеру дуже холодним повітрям і ввести водяну пару, щоб пластівці почали утворюватися. "Отже, у мене багато кристалів, які крутяться в повітрі, коли ростуть", - говорить він. Потім виберіть ті, які вам найбільше подобаються, і працюйте з ними індивідуально, поки не виберете найбільш ефектні. "Процес практично такий самий, як той, що відбувається всередині хмари", пояснює він," це водяні пари, що конденсуються на склі ".
Є великі кристали, на утворення яких може зайняти більше години, а маленькі кристали, які матеріалізуються за пару хвилин. Для досягнення однорідного зародження він використовує стислий газ і прискорює деякі процеси. Одне з найцікавіших явищ полягає в тому, що різні види пластівців утворюються при різних температурах. "Це те, що відомо 75 років, але ми не знаємо, чому це відбувається", - говорить він. Регулюючи температуру та вологість, Libbrecht може маніпулювати малюнком пластівців та фотографувати різні форми. При -10 С створюються плоскі крижані квіти, при -2 С з’являються трикутні кристали; якщо покласти більше вологи, зросте більше рук.
У 57 років він бачив мільйони пластівців і досліджував їх симетричні форми з усіх точок зору. Приступаючи до цього, зізнається, він хотів зрозуміти, як виросли всі кристали, але він зосередився на льоду неспроста: для свого дослідження йому не потрібно було багато грошей. Незважаючи на те, що він бачив у природі багато кристалів, його справжня пристрасть вирощує їх з нізвідки і встановлює умови для отримання певної форми. "Я можу зробити їх більшими та досконалішими, ніж я коли-небудь бачив у природі"Він каже." Думаю, мені краще провести час у лабораторії, ніж знайти на вулиці ".
Різні типи пластівців утворюються при різних температурах
Його останнє досягнення - отримання двох "однакових" пластівців це цілком приклад важливості умов в лабораторних експериментах. Розміщує їх поруч один з одним, на пару міліметрів один від одного, тому що є критична точка, з якої пластівці стикаються або знаходяться в різних умовах вологості та температури. "Якщо ви відсунете їх, вони не будуть рости в однакових умовах, і якщо ви зближите їх, одне заважає іншому, вони повинні знаходитися на оптимальній відстані ", - пояснює він. І все-таки два кристали не є абсолютно однаковими і не можуть бути". Якщо ви уважно подивитесь, то побачите, що неможливо, щоб дві речі були абсолютно однакові - два електрони наприклад, рівні, але нічого плюс. У великих речах ви завжди знайдете невеликі відмінності. Я люблю називати їх ідентичними пластівцями-близнюками оскільки вони схожі на однояйцевих близнюків, вони дуже схожі, але насправді вони не зовсім однакові".
Кеннет Г. Ліббрехт, у своїй лабораторії Caltech
Захоплення симетрією та красою крижаних кристалів сягає глибокої давнини. У 135 р. Н.е. китайця Хань Інь здивував той факт, що рослини і квіти мали симетрію в п'яти точках, але пластівці мали симетрію в шість. Близько 1611 року німецький астроном Йоганнес Кеплер Він гуляв містом Прагою, коли його зачарував невеликий сніг на одвороті пальто. "Від Геракла! Було щось менше, ніж крапля, але наділене формою", - писав він у своїй роботі Strena seu de nive sexangula ("Шестикутна сніжинка"). Кеплер підозрював, що певні геометричні фігури, такі як тверді тіла Платона, лежать в основі утворення речовини. Сніг повинен бути упакований так, думав він, через те, як упаковуються частинки, що утворюють його, хоча йому було ще далеко від того, щоб знати, що таке атом, і що гексагональна форма обумовлена способом структурування молекул Н
Протягом століть симетрія крижаних пластівців стала предметом всіляких трактатів і досліджень, і було створено десятки каталогів з ілюстраціями в найкрасивіших формах. У 1885 році фотограф на ім'я Вільсон Бентлі Він мав великий успіх із своїми фотографіями пластівців, усі ідеальні та симетричні, які він продавав у прекрасних каталогах. Суперечка і протистояння сталися, коли німецький метеоролог Густав Хеллман, за допомогою фотографа Річарда Нойгаусса, вони почали фотографувати снігові кристали і виявили цю симетрію, зовсім нічого. "Хтось настільки звик до математичної закономірності побудови пластівців, що трохи розчаровує його не знайти", - написали вони. Нойгаус навіть звинуватив Бентлі у фальсифікації реальності, щоб зробити її красивішою.
Знамениті пластівці, сфотографовані Уілсоном Бентлі
«Ну, вам не потрібно бути вченим, щоб це побачити, - пояснює Ліббрехт, - поки ви виходите і бачите сніг, добре, пластівці в основному не симетричні.. Вони стикаються з іншими кристалами, вітер їх ламає ... Іноді ви отримуєте майже симетричний, і звичайно, ви завжди вибираєте той для фотографії, а негарний не берете. Тому ми завжди фотографуємо прекрасні приклади, а не інші ". Точно, в університеті штату Юта, фізик Тім Гаррет швидше, він прагне протилежного. Його команда розробила техніку фотографування пластівців у трьох вимірах у їх природному стані, коли вони падають. Їхні зображення є ще одним доказом того, що симетрія - це артефакт, який ми вводимо своїми спостереженнями.. "Пластівці майже ніколи не складаються з одного простого кристала", - говорить він. "Швидше, він відчуває своєрідне" заморожування ", коли мільйони крапель води стикаються з пластівцем і замерзають на його поверхні. Або стикаються і утворюють агрегати".
Зображення: Тім Гаррет, Університет штату Юта
Його система, що отримала назву "Багатокутова камера для пластівців”, Патент розглядається і включає три високошвидкісні камери та два датчики руху, які дозволяють пластівцям замерзати при падінні. Гаррет чітко усвідомлює, що типові фотографії пластівців на склі, ідеально сфокусовані та з ідеальним світлом, не відображають реальності явища в природі. Але так, він визнає, хоча вони не симетричні "пластівці зачаровують, і немає двох справді подібних.". Ось чому робота Ліббрехта є настільки цікавою: вона показує, що незалежно від того, наскільки керованими є умови в космосі, відстань у 1 мм створює зміни, які змінюють щось таке делікатне, як утворення кристала. Корисність? Істина полягає в тому, що це для нього не має значення, оскільки його кінцева мета - зрозуміти процес, за допомогою якого утворюються кристали. "Це фундаментальне дослідження", уточнює він," але я якось роблю це просто через те, наскільки це красиво ". І він нагадує нам, що він просто" один з тих людей, які люблять відкривати речі і бачити, як вони працюють".