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

化学彰着是咱们周围统统物资的着手，借着这些物资，咱们的活命会变好或变坏。把穿戴变得前锋漂亮的染料、掩饰咱们自身气息的东说念主造香水、缓解咱们病痛的药物，还有智高东说念主机里的高技术半导体合金芯片，都是化学的家具，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羞耻物，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，但也畏惧着它惹来的横祸：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，但本书要先容的便是这一面。咱们将给你展示化学家具和化学经过中蕴含的惊东说念主的好意思。这种好意思广宽一闪而过，无东说念主扫视，或者没东说念主意志到它们的实质跟化学相关。

让咱们在这个冬天，先揭开雪花下荫藏的蕃昌枝晶，探索其中的高明。

△ 滋长的硅酸钠晶体变成的分局势分枝图案

这些数不清的星状小颗粒奢侈魅力，东说念主眼根柢无法看出它们避讳而狭窄的秀丽之处，而它们彼此间也天壤之隔。东说念主们耐久怀着无限的创造意思意思磋议雪粒的变化和极其细密的成形，又耐久受命归并基本图案，即等边等角的六角形。然而每一粒……都极其章程，冷飕飕地整都。

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过中因疲顿而将近睡着时，对于雪花局势的想索。看起来卡斯托尔普似乎是被雪花的好意思迷住了，但实践上雪花让他不安。“它们太章程了，”他说，“组织成生命的任何物资从来莫得章程到这么的进度，对它那恰到自制的精确感到畏怯，把它动作致死的因子乃至弃世的高明本人。”他判断，这一定是古代的建造师挑升不把建造作念得百分之百对称的原因：为了引入一点生命的活力。

雪花真的令东说念主不安的地点，有时也恰是它们如斯秀好意思的原因：不太是它们对称的几何局势，而是这些小小的冰质碎屑似乎就处在蹂躏这种对称的边际。咱们在第二章中看到，普通的晶体呈整整都都的块状，但到了雪花像圣诞树雷同的“臂”上，几何结构却运转疯长，分出蕃昌的枝权，仿佛获取了我方的生命一般。在1世纪的中国汉朝，就有东说念主认为它们犹如植物，称其为“雪花”。这种近乎盼愿的粗糙再多极少点，次第就会统统这个词儿隐没。约略恰是这种特点被卡斯托尔普惊为“崇高莫测”。

多年来，科学家一直在想考雪花的问题。东说念主便是无法漠视如斯颠簸的当然征象，尤其是17世纪发明了显微镜，把这种细腻的创造澄莹地展当今东说念主们目前之后。这种“取之不尽的创造意思意思”何故而成？大当然为什么需要它呢？

咱们在前边提到过的德意志天体裁家、数学家约翰内斯·开普勒曾尝试讲明晶体的局势，他也为雪花的局势冥想苦想了很久，恰是这些想考，催生了对于“结晶度”的绝妙直观。1610年冬，在布拉格为雪白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）献给他尊贵的援救东说念主作为新年礼物。在书里，他给我方提议了讲明雪花局势的指标。他问说念：

△ 银盐通过电化学复原滋长出的银枝晶

△ 硝酸银和铜的置换反馈生成的银枝晶，局势宛如雪花

六这个数源出哪里？谁先把冰核雕出了六个角，之后它才落下？是什么原因让雪外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样子

△ 硫酸钠晶体

△ 硫酸钠晶体

咱们仍是知说念，开普勒判断，用“水小球”的堆积或可讲明雪花的六角对称征象，但他用逸待劳也没能讲明雪花的分枝征象。终末他彰着有点凄怨了，只可征引“变成之能”这一玄妙认识，称这是天主预计打算的一部分。“变成的原因不单是是某种方针，也不错是好意思不雅，”他写说念，并兴盛地补充，“它根植于享受每个片晌即逝的一会儿的民俗。”

了然于目，这对后世的科学家而言算不上什么讲明。19世纪中世，着名生物学家托马斯·亨利·赫胥黎明晰地标明，莫得东说念主能征引某种玄妙的“能”“灵”来讲明“水微粒怎样被拓荒到晶体的某一面，或者白霜的‘叶芽’之间”。也便是说，一定是物理和化学的旨趣生成了这些神奇物体。

但那是怎样作念到的呢？在20世纪中世畴昔，统统科学家还只可花样、记载雪花的好意思辛劳。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年与现象物理学家威廉·汉弗菜斯（William Humphreys）和解，将他这些邃密像片出书为册本《雪花晶体》(Snow Crystals）。书中列出了化学法规催生的一系列古迹，不错说是咱们这本书的前身，况兼也激勉了稠密化学家想考掌管“雪花滋长”的法规。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）中的花样：

雪花晶体的好意思依赖于其在数学上的法规性和对称性，但单个类型竟能孳生出稠密变体，彼此相关又不尽疏通，这极大增多了咱们对它的宠爱与吟唱。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，雪花只是晶体滋长经过中呈现出的一种普遍模式的最常见例证。雪花真的的特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，而是其单臂的样子：典型的针状顶端，点缀着蕨类植物一般的重迭分枝。冶金学家早就知说念这类结构也会出当今冷却并凝固的液态金属中，其变成经过被称为“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”的化学经过中，这种反馈是用浸没在溶液中的电极产生的电流，将以离子局势溶于溶液中的金属千里积出来的经过。

要讲明枝状滋长，就要回应两个问题。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祥和延迟？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，看起来还频频像按照某种几何章程排布，并变成特定的夹角？

谜底在20世纪40年代到70年代之断绝断续续地产生了。枝状滋长产生的顶端和分枝是所谓的“滋长不踏实性”的例子，简便说便是稳步的滋长让位于某种不那么自由而法规的东西。

滋长不踏实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，产生法规罗列的沙波纹和沙丘，即是一个例子，沙漠名义的某一处蕴蓄沙子的速率比别处更快。另一个滋长不踏实性的例子是清早本领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踏实于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当场出当今处于凝固经过中的金属的名义，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地点散热更快，因此凝固也更快。这是一种正反馈经过：“手指”伸出越远，长得也越快。

马林斯和塞克卡意志到，这种变成顶端的经过会反复逼迫地发生：针尖两侧会再分枝出针尖，后者又会继续分枝。一不正式，就有了大都分枝。不外，分枝的最小尺寸有个终了，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当场大都出现，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法规的几何结构，而晶体的几何结构会拓荒分枝出现的标的。因此，雪花的六角局势，便是冰中水分子六方堆积的成果。其他晶体在滋长的经过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。

这些意旨真理意旨真理直到20世纪80年代才被都备意会，出现了对于雪花变成的完善表面。直到如今，科学家对晶体滋长的某些方面仍不甚了解，举例很隐秘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：六臂举座局势相似，但细节各有不同。若是你民俗见到完满对称的雪花，那是因为东说念主们广宽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“完满”的雪花如实存在，况兼咱们也不明晰为什么每个分枝都“知说念”其他分枝是什么样的。

不仅如斯，也不是统统雪花臂都呈经典的圣诞树局势，而是可能继承多种局势。有时雪花臂上会遮盖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局势，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局势，取决于某一晶体变成时空气中的真的条目。你不错把不同位置雪花的各别看作大当然被冻结的一会儿记载。

雪花雷同的枝状滋长并非晶体的常态。咱们在第二章中看到，晶体更常变成棱柱形的小块，各面各边不是杂乱不都的分枝，而是光滑告成的。那为什么晶体有时会长成这么，有时又长成那样呢？

原因很猛进度在于滋长速率，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渐渐地冷却到凝固点以下，它就会渐渐凝固成章程的块状晶体；相背，枝状滋长广宽发生在液态金属温度蓦然跌至大大低于凝固点的位置，于是凝固经过一会儿发生之时。科学家把前一个经过称为“接近均衡态”（晶体滋长所在的系统距离其最踏实的晶态不太远），后一个经过称为“鉴别均衡态”。

雪花便是鉴别均衡态的经过中频繁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法规性的精妙均衡，亦然生命本人的特征之一。因此，把雪比作花、枝状滋长比作树也不是都备的正巧：它们是被赋予了盼愿的物资。

分形是大当然的基本局势之一，而化学通过简便的电拓荒结晶经过就不错产目生形，从电极铺张开来，宛如根系在泥土中股东，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·爱默生写说念：“大当然只是对寥寥几种法规卜昼卜夜地加以组合和重迭。她哼着那支着名的陈旧调子，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