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化学比其他任何学科都更能体现实用与脱俗的王人集。它最为东说念主所知的是实用性：

化学赫然是咱们周围悉数物资的起首，借着这些物资，咱们的生存会变好或变坏。把一稔变得前卫漂亮的染料、隐秘咱们自身气息的东说念主造香水、缓解咱们病痛的药物，还有智高手机里的高技术半导体合金芯片，都是化学的居品，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混浊物，以及填塞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。咱们依赖着化学的激动匡助，但也挂牵着它惹来的不幸：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说念主所知，但本书要先容的等于这一面。咱们将给你展示化学居品和化学经由中蕴含的惊东说念主的好意思。这种好意思平时一闪而过，无东说念主翔实，或者没东说念主意志到它们的实质跟化学关联。

让咱们在这个冬天，先揭开雪花下荫藏的情愿枝晶，探索其中的巧妙。

△ 滋长的硅酸钠晶体造成的分时势分枝图案

这些数不清的星状小颗粒富余魅力，东说念主眼根柢无法看出它们掩蔽而微细的鲜艳之处，而它们彼此间也霄壤之别。东说念主们永恒怀着无限的创造意思盘问雪粒的变化和极其细腻的成形，又永恒遵从归拢基本图案，即等边等角的六角形。关联词每一粒……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，自我千里溺的主东说念主公汉斯·卡斯托尔普在滑雪经由中因疲乏而将近睡着时，对于雪花时势的想索。看起来卡斯托尔普似乎是被雪花的好意思迷住了，但现实上雪花让他不安。“它们太规矩了，”他说，“组织成人命的任何物资从来莫得规矩到这么的进程，对它那恰到平正的精确感到畏缩，把它算作致死的因子乃至物化的巧妙自己。”他判断，这一定是古代的成立师专诚不把成立作念得百分之百对称的原因：为了引入一点人命的活力。

雪花确切令东说念主不安的场地，无意也恰是它们如斯秀好意思的原因：不太是它们对称的几何时势，而是这些小小的冰质碎屑似乎就处在冲破这种对称的旯旮。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同样的“臂”上，几何结构却运行疯长，分出情愿的枝权，仿佛获取了我方的人命一般。在1世纪的中国汉朝，就有东说念主认为它们犹如植物，称其为“雪花”。这种近乎渴望的猖狂再多少量点，次第就和会盘儿消失。无意恰是这种特色被卡斯托尔普惊为“高妙莫测”。

多年来，科学家一直在想考雪花的问题。东说念主等于无法冷落如斯触动的当然征象，尤其是17世纪发明了显微镜，把这种细腻的创造披露地展当今东说念主们目下之后。这种“用之握住的创造意思”缘何而成？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·开普勒曾尝试评释晶体的时势，他也为雪花的时势冥想苦想了很久，恰是这些想考，催生了对于“结晶度”的绝妙直观。1610年冬，在布拉格为皎皎罗马帝国天子鲁说念夫二世职责时，开普勒写了一册小书《对于六角雪花》(Denivehexangula）献给他尊贵的赞助东说念主作为新年礼物。在书里，他给我方提议了评释雪花时势的主张。他问说念：

△ 银盐通过电化学修起滋长出的银枝晶

△ 硝酸银和铜的置换响应生成的银枝晶，时势宛如雪花

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？

△ 硝酸银和铜的置换响应中产生的银枝晶在透射光下的神态

△ 硫酸钠晶体

△ 硫酸钠晶体

咱们也曾知说念，开普勒判断，用“水小球”的堆积或可评释雪花的六角对称征象，但他养精蓄锐也没能评释雪花的分枝征象。终末他赫然有点凄怨了，只可征引“造成之能”这一玄妙看法，称这是天主辩论的一部分。“造成的原因不单是是某种主张，也不错是好意思不雅，”他写说念，并舒坦肠补充，“它根植于享受每个俄顷即逝的倏得的风尚。”

不问可知，这对后世的科学家而言算不上什么评释。19世纪中世，有名生物学家托马斯·亨利·赫胥黎披露地标明，莫得东说念主能征引某种玄妙的“能”“灵”来评释“水微粒怎样被带领到晶体的某一面，或者白霜的‘叶芽’之间”。也等于说，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世纪中世当年，悉数科学家还只可形色、纪录雪花的好意思汉典。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像片，并在1931年与阵势物理学家威廉·汉弗菜斯（William Humphreys）相助，将他这些邃密像片出书为竹素《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，而况也激励了繁密化学家想考掌管“雪花滋长”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形态的巨著《滋长和形态》(On Growthand Form,1917）中的形色：

雪花晶体的好意思依赖于其在数学上的章程性和对称性，但单个类型竟能滋生出繁密变体，彼此关联又不尽交流，这极大加多了咱们对它的怜爱与赞誉。这种好意思恰是日本艺术家在一派灯炷草或一丛竹子（尤其是被风吹逾期）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，雪花只是晶体滋长经由中呈现出的一种深广模式的最常见例证。雪花确切的独有之处并不在于开普勒和他前前后后的东说念主提议的六角形对称，而是其单臂的神态：典型的针状顶端，点缀着蕨类植物一般的近似分枝。冶金学家早就知说念这类结构也会出当今冷却并凝固的液态金属中，其造成经由被称为“枝状（dendritic）滋长”，其英文词来自希腊语的“树枝”。枝状滋长也会出当今一类名为“电千里积”的化学经由中，这种响应是用浸没在溶液中的电极产生的电流，将以离子步地溶于溶液中的金属千里积出来的经由。

要评释枝状滋长，就要回答两个问题。其一，为什么会造成针状？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浪那样柔软蔓延？是什么让一部分固体跑在其他部分前边，造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，看起来还频频像按照某种几何规矩排布，并造成特定的夹角？

谜底在20世纪40年代到70年代之终止断续续地产生了。枝状滋长产生的顶端和分枝是所谓的“滋长不清静性”的例子，浅易说等于稳步的滋长让位于某种不那么自如而章程的东西。

滋长不清静性在咱们周围到处都有发生。沙漠名义的沙粒因风四处移动，产生章程陈列的沙波纹和沙丘，即是一个例子，沙漠名义的某一处蓄积沙子的速率比别处更快。另一个滋长不清静性的例子是清晨时刻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。

枝状滋长根人性的不清静于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弘扬。他们指出，率先是极微小的波纹立时出当今处于凝固经由中的金属的名义，并跟着熔融态金属的冷却而被放大，马上前突，呈手指状，并一边滋长一边变细。这是因为，这类突进能比固体的其他场地散热更快，因此凝固也更快。这是一种正反馈经由：“手指”伸出越远，长得也越快。

马林斯和塞克卡意志到，这种造成顶端的经由会反复不竭地发生：针尖两侧会再分枝出针尖，后者又会连接分枝。一不翔实，就有了多数分枝。不外，分枝的最小尺寸有个结束，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立时多数出现，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，原子和分子会堆积成章程的几何结构，而晶体的几何结构会带领分枝出现的标的。因此，雪花的六角时势，等于冰中水分子六方堆积的效果。其他晶体在滋长的经由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年代才被宽裕解析，出现了对于雪花造成的完善表面。直到如今，科学家对晶体滋长的某些方面仍不甚了解，举例很艰深释为什么雪花的六个角看起来如斯相似：淌若分枝都只是偶然萌出，就算它们倾向于沿六角标的产生，怎样会看起来都同样？不外，真相是，许多雪花的六个角并莫得那么对称：六臂全体时势相似，但细节各有不同。淌若你风尚见到好意思满对称的雪花，那是因为东说念主们平时只选拔这些雪花的像片发出来，因为它们看起来最好意思。不外，这也标明，这些“好意思满”的雪花确乎存在，而况咱们也不披露为什么每个分枝都“知说念”其他分枝是什么样的。

不仅如斯，也不是悉数雪花臂都呈经典的圣诞树时势，而是可能领受多种时势。有时雪花臂上会庇荫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时势，尤其是多样六角形截面的棱柱形。归拢场雪里降下的雪花也会有许多不同的时势，取决于某一晶体造成时空气中的简直条款。你不错把不同位置雪花的各别看作大当然被冻结的倏得纪录。

雪花同样的枝状滋长并非晶体的常态。咱们在第二章中看到，晶体更常造成棱柱形的小块，各面各边不是零散不王人的分枝，而是光滑笔直的。那为什么晶体有时会长成这么，有时又长成那样呢？

原因很猛进程在于滋长速率，或者换句话说，是看结晶“驱能源”有多大。一般而言，淌若你把某种熔融态的金属缓缓地冷却到凝固点以下，它就会缓缓凝固陈规矩的块状晶体；相背，枝状滋长平时发生在液态金属温度遽然跌至大大低于凝固点的位置，于是凝固经由倏得发生之时。科学家把前一个经由称为“接近均衡态”（晶体滋长所在的系统距离其最清静的晶态不太远），后一个经由称为“隔离均衡态”。

雪花等于隔离均衡态的经由中平时造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章程性的精妙均衡，亦然人命自己的特征之一。因此，把雪比作花、枝状滋长比作树也不是宽裕的恰巧：它们是被赋予了渴望的物资。

分形是大当然的基本步地之一，而化学通过浅易的电设备结晶经由就不错产陌生形，从电极铺伸开来，宛如根系在泥土中鞭策，或者树木伸开枝条拥抱阳光。好意思国超验主义作者拉尔夫·沃尔多·爱默生写说念：“大当然只是对寥寥几种法例无尽无休地加以组合和近似。她哼着那支有名的迂腐音调，只是变奏无限。”

△ 硅酸钠枝晶

△ 电化学千里税产生的锌

△ 岩石中当然造成的锰矿树枝石

△ 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