Статьи
Интервью

Почему снежинка шестиугольная

Сегодня первый день календарной зимы, и в Москве даже идет снег. Самое время поговорить о том, почему снежинка шестиугольная. Тут не все так просто.

На наши вопросы о кристалликах льда и не только ответил российский кристаллограф-теоретик Артем Оганов, профессор «Сколтеха», профессор РАН, член Европейской академии и действительный член (fellow) Королевского химического общества, Американского физического общества и Минералогического общества Америки.

— Чем объясняется форма снежинки? Почему она шестиугольная?

— Снежинка — это всего-навсего кристаллик льда. Кристаллическая структура льда имеет гексагональную (то есть шестиугольную) симметрию, проявлением которой и является шестиугольная форма снежинок. Такая же структура, как у льда, известна для гексагонального алмаза — лонсдейлита. В этой структуре каждый атом углерода связан с четырьмя другими атомами углерода и сидит как бы в центре тетраэдра. Угол между связями в такой тетраэдрической конфигурации составляет 109°, что очень близко к углу в молекуле воды — 104°. В структуре льда вместо атомов углерода сидят молекулы воды. Атомы кислорода смотрят на другие четыре атома кислорода. В двух из четырех направлениях у этого кислорода свои атомы водорода. А в двух других этот атом кислорода своими неподеленными (несвязывающими) парами электронов смотрит на атомы водорода чужих молекул — это взаимодействие известно как водородная связь.

В кристаллической структуре льда существуют оси симметрии шестого порядка. К слову, это не простые оси шестого порядка, а винтовые, которые являются сочетанием поворота на 60° с частичным переносом вдоль оси.

— Поговорим про углы. В молекуле воды угол 104,5°. Соответственно, аппроксимировать природе было бы удобно до 120°, тогда была бы трехугольная, или до 90°, — тогда четырехугольная, причем ближе к 90°. Откуда же берутся эти самые 60°?

— Угол в молекуле воды 104° связан с sp3-гибридизацией орбиталей атома кислорода. В идеальном случае sp3-гибридизации четыре электронные пары дают угол 109,5°, типичный для тетраэдра. Если вы берете тетраэдр, в центре него ставите точку, то от этой точки до вершины тетраэдра углы получаются такие же — 109,5°.

В молекуле воды этот угол несколько меньше из-за того, что две из четырех орбиталей являются несвязывающими, а такие орбитали занимают несколько больший объем и давят на связывающие орбитали, делая связи кислород — водород несколько ближе друг к другу. Это простое, в двух словах, объяснение о том, откуда берется угол 104°. Угол в 120° или 60° требовал бы совсем другого характера химической связи, невозможного в молекуле воды. Но такой угол совсем не требуется для гексагональной симметрии.

— Популярный вопрос в Сети: почему не бывает двух одинаковых снежинок? Или это миф?

— Я слышал этот вопрос миллион раз, и он каждый раз вызывает у меня недоумение. Люди это рассматривают как какой-то таинственный парадокс снежинок. Не знаю, кто его придумал, но с какой стати все кристаллы льда должны быть одинаковыми?

Разве что-то во Вселенной бывает абсолютно одинаковым? Не бывает двух одинаковых кристаллов соли, двух одинаковых отпечатков пальцев или двух одинаковых цветочков ромашки. Там, где растет один кристалл и где другой, могут быть разные температурные режимы, разные течения питающего раствора. Они абсолютно одинаковыми и не должны быть. Но они могут быть очень похожими.

Что еще можно добавить о снежинках из научно-популярных фатов?

— Очень часто, даже как правило, снежинки являются так называемыми скелетными кристаллами. Это само по себе достаточно необычно. Большинство веществ образуют кристаллы, являющиеся выпуклыми многогранниками. А снежинки являются не выпуклыми многогранниками, а, наоборот, выпирают наружу ребра и вершины, а грани являются как бы вдавленными внутрь.

Обычная снежинка выглядит подобно ветке дерева: от ствола отходят ветки, а от них — еще более мелкие ветки. Это фрактальная структура, если хотите. Почему же так происходит в случае снежинок? Обычно скелетные кристаллы образуются при быстрой кристаллизации из сильно пересыщенных растворов или переохлажденных расплавов и газов. То есть такие скелетные формы образуются, когда кристалл растет быстро и пытается дотянуться до максимального количества питательной среды. Если бы кристаллы льда — снежинки — образовывались в более равновесных условиях, то они бы выросли как выпуклые многогранники (и такие кристаллы тоже известны). Но интересно, что в атмосфере, когда идет образование снега, условия не такие — они далеки от равновесных.

— Со снежинками современной науке все предельно ясно и понятно? Ими уже никто не занимается?

— Есть много людей, которые занимаются льдом. Лед вызывает большой интерес у людей, там интересная физика. Про лед можно долго рассказывать — у него есть много полиморфных модификаций, которые образуются, в частности, при высоких давлениях. Там много интересных явлений, таких как аморфизация, вызванная давлением. Если вы берете обычный лед и сдавливаете его при низкой температуре, он вдруг превращается в стеклообразный лед без кристаллической структуры. Это само по себе интересно и не до конца еще понято.

Есть люди, которые всю свою жизнь занимаются льдом и про лед знают всё. Я касался темы льда всего лишь несколько раз в своей жизни. Но мне никогда не было интересно посвящать свою жизнь одному конкретному соединению.

— В недавнем интервью вы сказали: «Я всегда делаю такие вещи, которые делать не принято, в науке занимаюсь задачами, которые считались нерешаемыми». Что вы имели в виду?

— В науке есть модные темы. И когда они возникают, в эти темы идет огромное число исследователей. Это неплохо само по себе, потому что модными темы становятся не просто так, а потому, что они интересны и многообещающи. Но я всегда сторонился модных тем, если только не видел, что могу в этой моде стать законодателем. Я люблю заниматься теми задачами, где нет толкучки и суеты, и при этом знаю, что могу сдвинуть гору и завтра эта тема станет модной. Как правило, темы, которыми я занимаюсь, вчера еще не были модными, а сегодня или завтра вдруг становятся популярными. Но мне удается избежать толкучки, потому что в этой теме я имею фору по времени.

— Назовите, пожалуйста, сами темы, чтобы было понятно, чем занимается кристаллограф.

— Кристаллографы изучают расположение атомов в структуре вещества и то, как оно предопределяет свойства материалов. Это очень широкая и междисциплинарная область. Список тем, которыми занимаюсь я, таков: предсказание кристаллических структур, предсказание материалов с требуемыми свойствами, химия наночастиц, химия высоких давлений (новые типы соединений и высокотемпературная сверхпроводимость под давлением, химия планетных недр). В этих темах есть много задач, которые «спали», а мы их «разбудили» — и они теперь стали интересны большому кругу ученых.

Мы, ученые, все разные, и это очень хорошо. Мне кажется, что это и в науке, и в жизни очень важно — быть самим собой. Люди, как правило, сильно недооценивают и не вполне понимают этот принцип. Есть люди, которые считают, что быть собой — это ходить в трусах по улице и красить волосы в фиолетовый цвет, они так самовыражаются. А кто-то считает, что надо быть как другие и не высовываться. Я думаю, оба эти подхода неправильные. Мой принцип такой: знать себя, стараться понять себя и мир, в котором ты живешь, и следовать своим лучшим инстинктам. Развиваться, искать себя, не пытаться кого-то копировать, а стремиться найти свой путь и быть честным по отношению к себе и другим. Это применимо и к науке. Не нужно делать то, что делают все вокруг тебя. Жизнь пройдет, и ты так и не узнаешь, зачем ты ее прожил. Ученый не может себе позволить копировать других. Если ты всегда остаешься самим собой, то и научные задачи у тебя будут свои, и результаты будут свои. Когда человек остается самим собой, он незаменим. Когда же он копирует других, он по определению заменим и не уникален.

Почему лед такой скользкий

Кто и зачем дает имена циклонам?

Читайте также
Кто первым изобрел радио? За правильный ответ на этот вопрос расстреливали
Кто первым изобрел радио? За правильный ответ на этот вопрос расстреливали
125 лет назад Попов впервые передал радиосигнал. Но был ли он первым?
В Великобритании стартовал новаторский эксперимент по получению энергии
В Великобритании стартовал новаторский эксперимент по получению энергии
Ядерный синтез безопаснее ядерного распада.
Исследование: Вселенная становится все более горячей
Исследование: Вселенная становится все более горячей
За последние 10 миллиардов лет температура галактик выросла на порядок.