冈山大学异领域基础科学研究所的松本正和副教授和中国浙江大学的望月建尔教授的研究团队发表研究成果称，通过模拟纳米级水滴结冰的过程，会产生一定比例的五方双棱锥和正二十面体形状的冰粒。这一发现将有助于在人工降雨时向云层中喷洒促进冰核形成的 “成核剂” 的分子设计。相关成果于10月18日刊登在美国化学会期刊《ACS Nano》上。
图1(a)22°日晕的例子。(b)六边形冰折射光线并产生22°弯曲。(c)被冰晶弯曲的光线从偏离太阳22º的方向照射到观察者。（供图：冈山大学、Photo by Digi Venkat CC BY SA 4.0）
六边形雪花结晶是云层中的小冰粒在下落过程中成长形成的，由于结晶中的水分子呈六边形排列，所以雪片呈现六边形。
新生冰粒的形状可以在地面上通过观测大气光学现象——日晕与太阳方向的偏离来推测。日晕是高空云层中的冰晶折射太阳光而产生的，通常观察到的日晕是以太阳为中心的22度或46度大小的圆形光环。从这个角度可以推测冰粒的面与面之间的夹角是60度或90度，表明冰粒呈六边形（六边形柱体）。
在极少数情况下会出现28度的日晕（Scheiner’s halo），即冰粒面之间的夹角约为70度。另外，在地面上飘落的雪结晶和实验室制作的人造雪中也经常发现两片雪花以70度的角度粘合在一起的孪晶（双晶）。这表明，两片雪花并不是后来才粘在一起的，而是两个晶体从形成时就互相倾斜70度同时生长，即第一个冰粒有一个70度的面。
此前人们认为70度面的形成原因是立方晶冰的正八面形晶粒具有70度的面，这就是双晶和Scheiner’s halo中70度角的起源，但详细情况此前尚不清楚。
因此，此次研究人员通过计算机模拟详细研究了纳米级水滴结冰的过程。
结果表明，呈70度角的五方双棱锥和正二十面体形状的冰粒会以一定比例产生。它们都是由多个正四面体的立方冰晶粘贴在一起组合而成的。五方双棱锥和正二十面体形状从某个角度看都是正五边形。
当冰晶的尺寸非常小时，冰表面的结构是决定其稳定性的因素。五方双棱锥和正二十面体形状的冰与六边形晶体相比，内部有些不稳定，但可以露出更多稳定的表面结构，因此预计也会产生一定比例这样的冰晶。
在云层中发现的具有特别形状的冰的微结晶也可能出现在南极的冰中、浸泡过纳米级空洞物质的水中、彗星、冰川或将干冰投入水中产生的白烟中。
望月教授表示：“我们日常生活中看到的冰在专业上被称为冰Ih。长期以来，人们一直在考虑云层中是否存在一种与之稍有不同的冰Ic，但此前一直没有直接观测到。我们通过分子模拟预测了冰Ic聚集形成的五方双棱锥和正二十面体形状的冰，并证明它们可以解释多晶雪的形状。今后我们将继续揭开人类最熟悉的水和冰的神秘面纱。”
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：ACS Nano
论文：Multitwinned ice nanocrystals
DOI：doi.org/10.1021/acsnano.4c07226
