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化学比其他任何学科都更能体现实用与脱俗的引诱。它最为东谈主所知的是实用性：

化学显着是咱们周围总计物资的开端，借着这些物资，咱们的生计会变好或变坏。把衣裳变得先锋漂亮的染料、隐蔽咱们自身气息的东谈主造香水、缓解咱们病痛的药物，还有智妙手机里的高技术半导体合金芯片，都是化学的产品，但咱们就像不知感德的孩子，把它们都看作理所虽然。咱们衔恨空气和水体里的期侮物，以及实足了河流和海洋的塑料成品（衔恨是对的，但对象不应该是化学）。化学编织出了咱们的存在：纤维、聚碳酸酯塑料、触摸屏和电板、不粘锅和不易滴落的涂料。咱们依赖着化学的高亢匡助，但也胆寒着它惹来的不称心：它既是问题又是解法，既是夙敌又是救星。化学超凡脱俗的一面则不那么为东谈主所知，但本书要先容的即是这一面。咱们将给你展示化学产品和化学进程中蕴含的惊东谈主的好意思。这种好意思频频一闪而过，无东谈主细心，或者没东谈主意志到它们的骨子跟化学干系。

让咱们在这个冬天，先揭开雪花下荫藏的茁壮枝晶，探索其中的玄机。

△ 助长的硅酸钠晶体变成的分阵势分枝图案

这些数不清的星状小颗粒裕如魅力，东谈主眼根蒂无法看出它们避讳而细微的绚烂之处，而它们互相间也毫不相通。东谈主们历久怀着无尽的创造有趣琢磨雪粒的变化和极其密致的成形，又历久免除归并基本图案，即等边等角的六角形。但是每一粒……都极其规矩，冷飕飕地整王人。

这是托马斯·曼1924年的演义《魔山》中，自我千里溺的主东谈主公汉斯·卡斯托尔普在滑雪进程中因困乏而将近睡着时，对于雪花阵势的想索。看起来卡斯托尔普似乎是被雪花的好意思迷住了，但履行上雪花让他不安。“它们太规矩了，”他说，“组织成生命的任何物资从来莫得规矩到这么的进度，对它那恰到克己的精确感到震惊，把它行动致死的因子乃至损失的玄机本人。”他判断，这一定是古代的开采师专诚不把开采作念得百分之百对称的原因：为了引入一点生命的活力。

雪花信得过令东谈主不安的场合，未必也恰是它们如斯灿艳的原因：不太是它们对称的几何阵势，而是这些小小的冰质碎屑似乎就处在冲破这种对称的边际。咱们在第二章中看到，普通的晶体呈整整王人王人的块状，但到了雪花像圣诞树雷同的“臂”上，几何结构却开动疯长，分出茁壮的枝权，仿佛获取了我方的生命一般。在1世纪的中国汉朝，就有东谈主认为它们犹如植物，称其为“雪花”。这种近乎盼望的落拓再多少许点，次序就融会盘儿褪色。大略恰是这种特质被卡斯托尔普惊为“深不能测”。

多年来，科学家一直在想考雪花的问题。东谈主即是无法疏远如斯颠簸的当然场面，尤其是17世纪发明了显微镜，把这种精采的创造澄澈地展当今东谈主们目下之后。这种“取之不尽的创造有趣”何以而成？大当然为什么需要它呢？

咱们在前边提到过的德意志天文体家、数学家约翰内斯·开普勒曾尝试解说晶体的阵势，他也为雪花的阵势冥想苦想了很久，恰是这些想考，催生了对于“结晶度”的绝妙直观。1610年冬，在布拉格为圣洁罗马帝国天子鲁谈夫二世责任时，开普勒写了一册小书《对于六角雪花》(Denivehexangula）献给他尊贵的援救东谈主作为新年礼物。在书里，他给我方提倡了解说雪花阵势的方针。他问谈：

△ 银盐通过电化学收复助长出的银枝晶

△ 硝酸银和铜的置换反馈生成的银枝晶，阵势宛如雪花

六这个数源出那处？谁先把冰核雕出了六个角，之后它才落下？是什么原因让雪绰号义在凝结的时候会从一个圆的六个点上伸出六个分枝？

△ 硝酸银和铜的置换反馈中产生的银枝晶在透射光下的面貌

△ 硫酸钠晶体

△ 硫酸钠晶体

咱们也曾知谈，开普勒判断，用“水小球”的堆积或可解说雪花的六角对称场面，但他养精蓄锐也没能解说雪花的分枝场面。临了他显着有点气馁了，只可征引“变成之能”这一神秘主张，称这是天主盘算的一部分。“变成的原因不单是是某种想法，也不错是好意思不雅，”他写谈，并感奋地补充，“它根植于享受每个片时即逝的短暂的民风。”

了然于目，这对后世的科学家而言算不上什么解说。19世纪中世，著名生物学家托马斯·亨利·赫胥黎明晰地标明，莫得东谈主能征引某种神秘的“能”“灵”来解说“水微粒怎样被指导到晶体的某一面，或者白霜的‘叶芽’之间”。也即是说，一定是物理和化学的道理生成了这些神奇物体。

但那是怎样作念到的呢？在20世纪中世畴前，总计科学家还只可描写、纪录雪花的好意思长途。但在1885—1931年间，好意思国佛蒙特州的农场主威尔逊·本特利（Wilson Bentley）拍摄了数千张雪花的相片，并在1931年与沸腾物理学家威廉·汉弗菜斯（William Humphreys）配合，将他这些高超相片出书为书本《雪花晶体》(Snow Crystals）。书中列出了化学法例催生的一系列遗址，不错说是咱们这本书的前身，况且也引发了稠密化学家想考掌管“雪花助长”的法例。雪花与植物的相似性也暗合了苏格兰动物学家达西·温特沃想·汤普森（D'Arcy Wentworth Thompson）对于当然界的模式及样式的巨著《助长和样式》(On Growthand Form,1917）中的描写：

雪花晶体的好意思依赖于其在数学上的规定性和对称性，但单个类型竟能繁衍出稠密变体，互相关系又不尽相通，这极大加多了咱们对它的留心与讴歌。这种好意思恰是日本艺术家在一派灯炷草或一丛竹子（尤其是被风吹过期）中看到的好意思，亦然一簇花从含苞直到残凋展现出来的阶段之好意思。

这里的谜团并不仅限于雪花，雪花只是晶体助前途程中呈现出的一种广漠模式的最常见例证。雪花信得过的专有之处并不在于开普勒和他前前后后的东谈主提倡的六角形对称，而是其单臂的面貌：典型的针状顶端，点缀着蕨类植物一般的重迭分枝。冶金学家早就知谈这类结构也会出当今冷却并凝固的液态金属中，其变成进程被称为“枝状（dendritic）助长”，其英文词来自希腊语的“树枝”。枝状助长也会出当今一类名为“电千里积”的化学进程中，这种反馈是用浸没在溶液中的电极产生的电流，将以离子阵势溶于溶液中的金属千里积出来的进程。

要解说枝状助长，就要修起两个问题。其一，为什么会变成针状？为什么在熔融的金属凝固之时，固态和液态间的界面不会像波澜那样柔软蔓延？是什么让一部分固体跑在其他部分前边，变成一个手指状的顶端？其二，是什么让这个顶端两侧又萌出分枝，看起来还往往像按照某种几何规矩排布，并变成特定的夹角？

谜底在20世纪40年代到70年代之阻隔断续续地产生了。枝状助长产生的顶端和分枝是所谓的“助长不稳固性”的例子，通俗说即是稳步的助长让位于某种不那么稳重而规定的东西。

助长不稳固性在咱们周围到处都有发生。沙漠名义的沙粒因风四处迁移，产生规定成列的沙波纹和沙丘，即是一个例子，沙漠名义的某一处累积沙子的速率比别处更快。另一个助长不稳固性的例子是清早时代蜘蛛网上凝结的露层缩成一列小液滴，宛如串在一条线上的珍珠。

枝状助长根人性的不稳固于1963年被威廉·马林斯和罗伯特·塞克卡（William Mullinsand RobertSekerka）这两位好意思国科学家发达。他们指出，领先是极微小的波纹速即出当今处于凝固进程中的金属的名义，并跟着熔融态金属的冷却而被放大，赶快前突，呈手指状，并一边助长一边变细。这是因为，这类突进能比固体的其他场合散热更快，因此凝固也更快。这是一种正反馈进程：“手指”伸出越远，长得也越快。

马林斯和塞克卡意志到，这种变成顶端的进程会反复不断地发生：针尖两侧会再分枝出针尖，后者又会不绝分枝。一不细心，就有了多数分枝。不外，分枝的最小尺寸有个遏抑，因为界面的名义张力有着副作用：要把名义拉平，就像它对杯子里的水面所作念的那样。

光凭这些，你可能会以为分枝会速即多数出现，更像一棵橡树，而非圣诞树。但金属和晶体结构自身背后的对称性会使其分枝以特定的角度分裂出现：咱们在第二章中看到，原子和分子会堆积陋习定的几何结构，而晶体的几何结构会指导分枝出现的标的。因此，雪花的六角阵势，即是冰中水分子六方堆积的服从。其他晶体在助长的进程中会出现其他的角度，举例有些晶体的分枝会成直角萌出，因为它们晶体中的原子呈立方堆积。

这些道理直到20世纪80年代才被彻底分解，出现了对于雪花变成的完善表面。直到如今，科学家对晶体助长的某些方面仍不甚了解，举例很深邃释为什么雪花的六个角看起来如斯相似：若是分枝都只是偶然萌出，就算它们倾向于沿六角标的产生，怎样会看起来都雷同？不外，真相是，许多雪花的六个角并莫得那么对称：六臂合座阵势相似，但细节各有不同。若是你民风见到完好对称的雪花，那是因为东谈主们频频只遴荐这些雪花的相片发出来，因为它们看起来最好意思。不外，这也标明，这些“完好”的雪花如实存在，况且咱们也不明晰为什么每个分枝都“知谈”其他分枝是什么样的。

不仅如斯，也不是总计雪花臂都呈经典的圣诞树阵势，而是可能选用多种阵势。有时雪花臂上会讳饰六边形的块状小龙脑，有时整片雪花都长成单纯的六边形。跟着周围空气温度和湿度的不同，雪花晶体在显微镜下会呈现出大相径庭的阵势，尤其是多样六角形截面的棱柱形。归并场雪里降下的雪花也会有许多不同的阵势，取决于某一晶体变成时空气中真的凿条目。你不错把不同位置雪花的各异看作大当然被冻结的短暂纪录。

雪花雷同的枝状助长并非晶体的常态。咱们在第二章中看到，晶体更常变成棱柱形的小块，各面各边不是散乱不王人的分枝，而是光滑凯旋的。那为什么晶体有时会长成这么，有时又长成那样呢？

原因很猛进度在于助长速率，或者换句话说，是看结晶“驱能源”有多大。一般而言，若是你把某种熔融态的金属徐徐地冷却到凝固点以下，它就会徐徐凝固陋习矩的块状晶体；违反，枝状助长频频发生在液态金属温度顿然跌至大大低于凝固点的位置，于是凝固进程短暂发生之时。科学家把前一个进程称为“接近均衡态”（晶体助长所在的系统距离其最稳固的晶态不太远），后一个进程称为“鉴别均衡态”。

雪花即是鉴别均衡态的进程中时常变成的复杂图案结构的一例。在第十章咱们还会看到另一些例子。在远均衡态处出现的这种复杂性与规定性的精妙均衡，亦然生命本人的特征之一。因此，把雪比作花、枝状助长比作树也不是彻底的正值：它们是被赋予了盼望的物资。

分形是大当然的基本阵势之一，而化学通过通俗的电诱导结晶进程就不错产目生形，从电极铺张开来，宛如根系在泥土中鼓动，或者树木张开枝条拥抱阳光。好意思国超验主义作者拉尔夫·沃尔多·爱默生写谈：“大当然只是对寥寥几种法例无尽无休地加以组合和重迭。她哼着那支著名的陈腐调子，只是变奏无尽。”

△ 硅酸钠枝晶

△ 电化学千里税产生的锌

△ 岩石中当然变成的锰矿树枝石

△ 电化学千里积产生的铜枝晶，细节

△ 重铬酸钾晶体

△ 烟酸的分形晶体