Любопитно – Защо снежинките са шестоъгълни?

Предлагаме Ви едно много любопитно интервю, в което ще научите малко повече за снежинките, леда, с какво се занимават кристалографите и как да бъдете истински учени.

Приятно четене.

На въпроси свързани с ледените кристали отговоря руският кристалограф-теоретик Артем Оганов, професор в Сколковский институт науки и технологий., професор в Руската академия на науките, член на Европейската академия и член на Кралското общество по химия, член на Американското общество на физиците и Минералогичното общество на Америка.

– Какво обяснява формата на снежинката? Защо е шестоъгълна?

– Снежинка е просто кристал от лед. Кристалната структура на леда има шестоъгълна симетрия, чиято проява е шестоъгълната форма на снежинките. Същата структура като леда е известна с шестоъгълния диамант – лонсдейлит . В тази структура всеки въглероден атом е свързан с четири други въглеродни атома и се намира в центъра на тетраедър. Ъгълът между връзките в такава тетраедрична конфигурация е 109 °, което е много близо до ъгъла във водна молекула – 104 °. В структурата на леда, вместо въглеродните атоми, седят водни молекули. Кислородните атоми гледат останалите четири кислородни атома. В две от четирите посоки този кислород има свои водородни атоми. А в останалите два този кислороден атом със своите единични /несвързани/ двойки електрони разглежда водородните атоми на чужди молекули – това взаимодействие е известно като водородна връзка.

В кристалната структура на леда има оси на симетрия от шести ред. Между другото, това не са прости оси от шести ред, а спирални, които са комбинация от 60 ° завъртене с частично преместване по оста.

– Да поговорим за ъглите. Във водна молекула ъгълът е 104,5 °. Съответно би било удобно да се приближава природно до 120 °, след това тя би била триъгълна или до 90 °, – тогава тя би била четириъгълна и по-близо до 90 °. Също така откъде идват тези 60 °?

– Ъгълът от 104 ° във водната молекула е свързан с sp3 хибридизацията на орбиталите на кислородния атом. В идеалния случай на sp3 хибридизация, четири електронни двойки дават ъгъл от 109,5 °, типичен за тетраедър. Ако вземете тетраедър, поставете точка в центъра му, тогава от тази точка до върха на тетраедъра ъглите са еднакви – 109,5 °.

Във водна молекула този ъгъл е малко по-малък поради факта, че две от четирите орбитали са несвързани и такива орбитали заемат малко по-голям обем и притискат свързващите орбитали, правейки връзките кислород – водород малко по-близо една до друга. Това е просто, накратко, обяснение откъде идва ъгълът от 104 °. Ъгъл от 120 ° или 60 ° ще изисква напълно различен тип химическа връзка, невъзможна във водна молекула. Но такъв ъгъл изобщо не се изисква за шестоъгълна симетрия.

– Популярен въпрос от мрежата: защо няма две еднакви снежинки? Или това е мит?

– Чувал съм този въпрос милион пъти и всеки път ме озадачава. Хората виждат това като някакъв тайнствен парадокс на снежинките. Не знам кой го е измислил, но защо, за бога, всички ледени кристали трябва да са еднакви?

Има ли нещо във Вселената абсолютно същото? Няма два еднакви кристала сол, два еднакви пръстови отпечатъка или два еднакви цвята лайка. Там, където един кристал расте и където друг, може да има различни температурни режими, различни потоци на захранващия разтвор – не е необходимо кристалите да бъдат абсолютно еднакви. Но те могат да бъдат много сходни.

– Какво друго можете да добавите за снежинките от научно-популярна гледна точка?

– Много често, дори като правило, снежинките са така наречените скелетни кристали. Това само по себе си е доста необичайно. Повечето вещества образуват кристали, които са изпъкнали многоъгълници. А снежинките не са изпъкнали многоъгълници, а, напротив, изпъкват навън ръбове и върхове, а краищата, като че ли, са натиснати навътре.

Обикновената снежинка прилича на клон на дърво: клоните се простират от ствола, а от тях идват по-малки клони. Това е фрактална структура, ако искате. Защо е така със снежинките? Скелетните кристали обикновено се образуват по време на бърза кристализация от силно пренаситени разтвори или преохладени стопилки и газове. Тоест, такива скелетни форми се образуват, когато кристалът расте бързо и се опитва да достигне максималното количество хранителна среда. Ако ледените кристали – снежинките – се образуват при по-равновесни условия, те ще растат като изпъкнали многоъгълници / такива кристали също са известни/. Но е интересно, че в атмосферата, когато се образува сняг, условията не са еднакви – те са далеч от равновесие.

– Всичко напълно ясно и разбираемо ли е на съвременната наука за снежинките? Защо вече никой не прави изследвания свързани с тях?

– Има много хора, които се занимават с леда. Ледът представлява голям интерес за хората, има интересна физика. Може да отнеме много време да говорим за леда – той има много полиморфни модификации, които се образуват, по-специално при високо налягане. Има много интересни явления като аморфизация, предизвикана от налягане. Ако вземете най-обикновен лед и го притиснете при ниска температура, той изведнъж се превръща в стъклообразен лед без кристална структура. Това само по себе си е интересно и все още не е напълно разбрано.

Има хора, които цял живот са работили върху темата за леда и знаят всичко за него. Докосвал съм до тази проблематика само няколко пъти в живота си. Но никога не съм се интересувал да посветя живота си на едно конкретно съединение.

– В скорошно интервю казахте: „Винаги правя неща, за които не е прието да се занимавам, в науката се занимавам със задачи, които се смятаха за неразрешими.“ Какво имахте предвид?

– Има модерни теми в науката. И когато възникнат такива теми, огромен брой изследователи навлизат в тях. Това само по себе си не е лошо, защото темите стават модерни по някаква причина, защото те са интересни и обещаващи. Но винаги съм избягвал модните теми, освен ако не съм виждал, че мога да стана законодател по тяхната проблематика. Обичам да се занимавам с теми и задачи, при които няма навалица и суетене, и в същото време знам, че мога да преместя планина и утре тази тема да стане модерна. Като правило темите, с които се занимавам, не са били модерни вчера, но изведнъж днес или утре стават популярни. Но успявам да избегна смачкването, защото в тази тема имам предимство във времето.

– Моля, назовете самите теми, за да стане ясно какво прави кристалографът.

– Кристалографите изучават подреждането на атомите в структурата на веществото и как то определя свойствата на материалите. Това е много широко и интердисциплинарно поле. Списъкът с теми, с които се занимавам, включва: предсказване на кристални структури, предсказване на материали с необходимите свойства, химия на наночастици, химия на високо налягане /нови видове съединения и високотемпературна свръхпроводимост под налягане, химия на планетарната вътрешност/. В тези теми има много задачи, които „спяха“ и ние ги „събудихме“ – и сега те станаха интересни за широк кръг учени.

Ние, учените, сме различни, което е много добре. Струва ми се, че е много важно както в науката, така и в живота – да бъдеш себе си. Хората са склонни силно да подценяват и не разбират напълно този принцип. Има хора, които вярват, че да си себе си, това е да вървиш по улицата с къси панталони и да боядисваш косата си в лилаво, те по този начин се изразяват. Някои смятат, че човек трябва да бъде като другите и да не изпъква. Мисля, че и двата подхода са погрешни. Моят принцип е следният: опознайте себе си, опитайте се да разберете себе си и света, в който живеете, и следвайте най-добрите си инстинкти. Развивайте се, търсете себе си, не се опитвайте да копирате някого, а се стремете да намерите своя път и бъдете честни със себе си и другите. Това важи и за науката. Не е нужно да правите това, което правят всички около вас. Животът ще премине и никога няма да разберете защо сте го живели. Учен не може да си позволи да копира други. Ако винаги оставате себе си, тогава ще имате свои научни задачи и резултати. Когато човек остане себе си, той е незаменим. Когато копира други, той по дефиниция е заменим и не е уникален.