För mer än 400 år sedan, Den välkände matematikern och vetenskapsmannen Johannes Kepler spekulerade om skapandet av en av naturens mest änglalika och unika former:den sexsidiga snöflingan. Även om atomer inte skulle upptäckas förrän över två århundraden senare, Kepler funderade öppet över de mikroskopiska byggstenarna som leder till iskristallens sexkantiga bildning, inklusive de otaliga faktorerna bakom detta återkommande fenomen.

Nu, forskning som leds av en kemist från Tufts University har besvarat Keplers frågor genom att belysa denna process genom att kombinera en elektronbackspridare med en stor enkristallismodell. I en studie publicerad i Förfaranden från National Academy of Sciences , forskare upptäckte att en iskristalls platta sidor bildas av en sexkant som är större och består av en central vattenmolekyl omgiven av sex andra i samma lager.

Mary Jane Shultz, Ph.D., en kemiprofessor vid School of Arts and Sciences vid Tufts University och första författare till studien, sade den sexkantiga formen har tre molekyler i ett lager och ytterligare tre något lägre i det som kallas en tvåskiktsstruktur. De sex plana sidorna av en snöflinga växer från en sexkant som bildas i ett lager. Denna större sexkant roteras 30 grader i förhållande till stolens sexkant.

"Snöflingor växer från vattenånga. Ansikten som avger mest värme (per ytenhet) förångas, sade Shultz. Ansiktet med minst värmeavgivning är den sexkantiga ytan; nästa är den större sexkantens platta yta. Den platta sidan av den sexkantiga stolen formar mest värme per område, som förångar sig själv. Således, snöflingans sexkantiga prisma har plana sidor som motsvarar den större sexkanten. "

Studieresultaten debunkar tidigare antaganden om att snöflingor växer från de platta sidorna av stolformad sexkant, Sa Shultz.

För att avgöra hur bildandet sker, forskare byggde en modell som balanserar värmen som frigörs när molekyler införlivas i det fasta gallret mot sannolikheten för framgångsrik fastsättning. Genom att kombinera makroskopiska och molekylära tekniker kunde teamet undersöka samma yta i olika skalor.

Den makroskopiska sonden har använts i årtionden för att undersöka is. Denna teknik ger de vackra visuella bilderna av den makroskopiska sexkantiga formen. Sonden på molekylär nivå är nyare. Medan en röntgen ofta används för att visa molekylnivån, Shultz och hennes team valde att använda elektronbackspridningsteknik, som producerar orienteringstäthetsdiagram som är mer illustrativa och visuellt övertygande.

"Noggrann provorienteringsspårning gjorde det möjligt för oss att länka de två bilderna för att skapa anslutningen, " Hon sa.

Forskningen bekräftade att snöflingepunkterna ligger i linje med de kristallografiska axlarna som visas som hotspots i data om elektronbackspridning. Betydelsen är att den plana sidan av en snöflinga består av en tvåskiktsstruktur. Basalytan är en sexkant i form av en stol; ändringen uppåt och nedåt bildar ett tvåskikt. Den platta sidan är en hexagon i båtform som består av par vattenmolekyler som överbryggar par i den nedre halvan av tvåskiktet. Flexibilitet och rörlighet hos ett par förväntas resultera i unik reaktivitet hos detta ansikte, inklusive potentiellt katalyserande omvandling av gaser som CO2 och kväveoxider i atmosfären. Shultz sa att teamet nu undersöker denna reaktivitet.