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.