「天氣瓶」里為什麼會出現不同形狀的結晶？

撰文／孫亞飛

本文節選自《知識就是力量》雜誌

之前有一種叫作「天氣瓶」 的小玩意兒在網路上流行起來。網上的介紹說，這種裝在玻璃瓶里的透明溶液會隨著天氣的變化長出各種漂亮的結晶。那麼，你知道同一個天氣瓶里為何會長出不同的結晶嗎？

天氣瓶中的結晶體

天氣瓶是什麼？

自古以來，各個農耕文明都極其重視曆法與氣象觀測。到了海洋文明時代，對氣象預測的需求更加提升——如果在海上突然遇上一場風暴可不是鬧著玩的。因此，在那個科技不發達的年代，人們開始積極地研究能夠反映天氣的設備，

大約在18世紀末期，一種叫作「風暴瓶」的天氣預報器出現了，據說它可以靈敏地感應環境中光、熱和氣壓這些參數的變化，一旦有了變天的先兆，瓶中的化學物質就會發生一系列變化，變得渾濁不清，長出形態各異的結晶來。現在所說的天氣瓶就是由此而來。

天氣瓶中的結晶體

同一瓶溶液為何會出現不同結晶形態？

在實驗室玩過結晶的人都知道，長晶體可不是理論上說長什麼樣就會長成什麼樣的，很多細節因素都可能對結晶過程造成影響。

一般來說，分析晶體生長的情況，主要需要考慮溶質自身的特性、溶液體系、溶質濃度、溫度以及溫變速率這些參數，實驗室里長晶體通常也都是從這些參數著手，添加不良溶劑、揮發、降溫、控制晶核都是常見的方法；有時候，電場、磁場、加壓等方式也能用於調整晶體生長。

具體到天氣瓶來說，到底有哪些因素影響它的結晶呢？這個問題已經有研究論文給出了答案。日本科學家長島和茂帶領的研究團隊曾專門進行實驗，對天氣瓶的結晶條件和結晶成分進行了驗證。X射線衍射結果顯示，天氣瓶中美麗的結晶就是樟腦晶體，氯化銨與硝酸鉀在這個體系中並不會發生結晶，但它們的存在可以提供晶核。實驗還發現，環境電場、磁場、濕度、氣壓這些因素對瓶中晶體的生長都沒有影響，造成影響的主要因素是環境溫度以及溫度變化的速率。

同一溶液，表現出不同的結晶體

在這個體系中，樟腦會在20~30℃區間內發生結晶，也就是說當溫度從30℃開始下降時，就有可能出現結晶了。降溫速率可以極大地影響結晶的形狀，簡單來說，如果降溫速率很快，結晶體傾向於形成更多更長的分支，就像雪花一樣；而降溫很慢時，則傾向於針狀晶體長出一些簇狀分支，有些像雞毛撣子。由於樟腦晶體與冰一樣為六方晶系，因此當降溫速率較大時，結晶也為六瓣，形狀非常像雪花。

除了溫變速率的影響之外，研究者還發現，結晶與初始狀態有關，從30℃降溫至20℃時，結晶逐步增加，但從10℃升溫到20℃時，結晶沒有明顯減少，兩種方式的終點雖然一致，都是20℃，但外觀上卻有著明顯差異，這進一步說明，結晶的狀態需要考慮結晶過程。

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