Нанотехнологическое сообщество Нанометр, все о нанотехнологиях
на первую страницу Новости Публикации Библиотека Галерея Сообщество Объявления Олимпиада ABC О проекте
 
  регистрация
помощь
 

Кристаллография - детям. Снежинки к Новому году.

Ключевые слова:  nanocamp, зимний лагерь, кристаллография, снежинка

Автор(ы):  Асмолова Екатерина Александровна

15 декабря 2013

Однажды было сказано, что в каждой капле дождя отражается весь мир. В каждой снежинке предстают перед нами красота и гармония природы. Вот и мы решили поближе познакомить детей с красивой и удивительной естественнонаучной областью - кристаллографией, вспоминая ту пору, когда будучи сами детьми, мы любовались причудливыми резными и кружевными кристалликами на варежках.

Этой зимой в лагере Нанокэмп мы с детьми будем отлавливать, фотографировать, изучать и самостоятельно выращивать снежинки и другие кристаллы!

Даже невооруженным взглядом рассматривая снежинки, можно заметить, что ни одна из них не повторяет другую. Предполагается, что в одном кубическом метре снега находится 350 миллионов снежинок, каждая из которых уникальна. Не бывает пятиугольный или семиугольных снежинок, все они имеют строго шестиугольную форму (хотя советских художников заставляли рисовать на плакатах пятиконечные снежинки). Полные идеальной гармонии конструкции снежных кристаллов уже на протяжении многих лет вызывают интерес людей.

Одним из первых, кто обратил внимание на снежинку, был Иоганн Кеплер, известный астроном и открыватель законов движения планет.

В 1611 году исследователь выпустил свой трактат «Новогодний дар. О шестиугольной снежинке», в котором, правда, объяснил форму кристаллов волей Божьей. Это исследование можно считать первым в истории трудом по изучению кристаллов снега. Кеплер задумался, почему кристаллы всегда имеют форму правильного шестиугольника. Он объяснил этот феномен плотным расположением сфер, формирующих гексагональну структуру кристалла.

Кеплер впервые заинтересовался и природой симметрии снежинок, но объяснить ее не смог. Прошло 300 лет, прежде чем ученые смогли дать ответ на поставленный Кеплером вопрос. Это стало возможным благодаря открытию рентгенокристаллографии.

Перехватил эстафетную ледяную палочку (хотя, в нашем случае, это, скорее всего, была именно снежинка) Рене Декарт, философ и математик. Именно он первый подробно описал форму снежных кристаллов - настолько хорошо, насколько это можно было сделать без помощи микроскопа. В своих трудах он писал, что снежинки похожи на розочки, лилии и колесики с шестью зубцами. Его подробные записки, датированные 1635 годом, содержали описания редких форм снежинок - 12-угольных и столбикообразных. Особенно математика поразила найденная им в середине снежинки «крошечная белая точка, точно это был след ножки циркуля, которым пользовались, чтобы очертить ее окружность».

Основа для формирования снежинки, её крошечное ядро - это ледяные или инородные пылинки в тучах. Молекулы воды, хаотично перемещающиеся в виде водяного пара, проходят через облака, то вместе с температурой они теряют и скорость. Все больше и больше шестиугольных молекул воды присоединяется к растущей снежинке в определенных местах, придавая ей отчетливую форму. При этом выпуклые участки снежинки растут быстрее. Так, из первоначально шестигранной пластинки вырастает шестилучевая звездочка.

В 1665 году Роберт Хук выпустил огромный том под названием «Микрография». Работа включала изображение всего, что автор мог увидеть благодаря крупнейшему изобретения того времени - микроскопу. В этом альбоме были многочисленные фото снежинок, на которых четко видна абсолютная симметрия и правильная форма снежных кристаллов. Это открытие изменило тогдашние представления о снежинках.

Следующим был Уилсон Бентли (1865-1931) - американский фермер, который занимался фотографированием снежных кристаллов. В его коллекции 5000 снимков, из которых более 2000 были опубликованы в 1931 году в его известной книге «Снежные кристаллы». Книга издается дополнительными тиражами по сей день.

Укичиро Накайя называл снег "письмом с небес, написанным тайными иероглифами". Он стал первым ученым, сумевшим создать систематическое учение о снежных кристаллах. Оно стало огромным прорывом в понимании природы снега.

Накайя, по специальности физик-ядерщик, в 1932 году был назначен на должность профессора на Хоккайдо - северном острове Японии. Проводить ядерные исследования на новом месте возможности не было, зато внимание ученого привлекли снежинки - благо, в «подопытном материале» на холодном Хоккайдо недостатка не было.

В отличие от Бентли, японец фотографировал и изучал все попавшиеся кристаллы, включая не очень красивые и несимметричные. Благодаря настойчивому труду и научному подходу к работе Накайя сумел составить детальный каталог типов снежинок.

Настоящим научным триумфом Накайя стало выращивание искусственных снежинок в заданных условиях. Это позволило определить закономерности между формой снежных кристаллов и средой их формирования.

Итогом нескольких лет работы ученого стала работа «Снежные кристаллы: естественные и искусственные». Впервые изданная в 1954 году, книга выходит и в наши дни. В ней раскрыто увлекательное научное исследование, которое началось практически из ничего, а закончилось внимательным изучением и детальной классификацией снежинок - впечатляющего природного феномена.

Кристаллография в настоящее время активно развивается в связи с потребностями электроники и физики твердого тела — в частности, свойства полупроводников, использующихся в наших повседневных электронных приборах, в значительной мере зависят от характеристик используемых в них кристаллов.

Очередной шаг в изучении свойств наиболее известных природных кристаллов — снежинок — сделан профессором физики Кеннетом Либбрехтом (Kenneth Libbrecht) из Калифорнийского технологического института. В лаборатории профессора Либбрехта снежинки выращиваются искусственно. «Я пытаюсь выяснить динамику формирования кристаллов на молекулярном уровне, — комментирует профессор. — Это непростая задача, и ледяные кристаллы скрывают множество секретов».

Снежинка — сложная симметричная структура, состоящая из кристалликов льда, собранных вместе. Вариантов «сборки» множество — до сих пор не удалось найти среди снежинок двух одинаковых. Исследования, проведенные в лаборатории Либбрехта, подтверждают этот факт — кристаллические структуры можно вырастить искусственно или наблюдать в природе. Существует даже классификация снежинок, но, несмотря на общие законы построения, снежинки все равно будут чуть-чуть отличаться друг от друга даже в случае относительно простых структур.

Для изучения характеристик снежинок профессор Либбрехт с 2001 года начал делать фотографии образовавшихся естественным образом снежинок и проводить их сравнительную классификацию. Структура и внешний вид снежинок, как выяснилось, зависят от того, где именно их наблюдали. По мнению Либбрехта, самые красивые и сложные по структуре снежинки выпадают там, где климат суровее — к примеру, на Аляске, а вот в Нью-Йорке, где климат мягче, структуры снежных кристалликов гораздо проще.

Видимо, ученый никогда не бывал в России, тогда бы он со стопроцентной уверенностью заявил, что прекраснее русских снежинок быть не может.

В этой статье мы приводим для будущего сравнения фотографии профессора Либбрехта. Позднее, по окончании зимней смены "SnowFlake - загадки кристаллографии" , мы разместим в галерее фотографии снежинок, которые сделают школьники в лагере Nanocamp.

Для того чтобы структура снежинки была хорошо видна на фотографии (а это очень важно для изучения ее кристаллического строения), образец подсвечивают специальным образом, и сама снежинка работает как сложная линза. Либбрехт разработал специальную камеру с встроенным микроскопом для «полевых» исследований. Фотографировать снежинки надо очень быстро — когда снежинка спустилась с неба, ее кристаллики перестают расти и почти сразу же начинают терять четкость граней.


 

 

Средний балл: 10.0 (голосов 6)

 


Комментарии
Такие вещи надо публиковать в публикациях, не уверен, что автор снежинок разрешил бы публикацию здесь.
Я согласовала этот вопрос с Кеном. Мы договорились, что после смены пришлем ему результаты исследований и фотографии.
Палии Наталия Алексеевна, 18 декабря 2013 09:34 
Красота
Согласна с Евгением Алексеевичем - это полноценная публикация
Спасибо!...
Очень красиво) Спасибо)
Федчун Виктория Олеговна, 15 апреля 2014 21:04 
Шикарно, нет слов. Молодцы!
А каким образом получилась фотография с черным фоном? что изменилось?

Для того чтобы оставить комментарий или оценить данную публикацию Вам необходимо войти на сайт под своим логином и паролем. Зарегистрироваться можно здесь

 

Благородные опалы: бублик и стручок
Благородные опалы: бублик и стручок

Перст-дайджест
В новом выпуске бюллетеня «ПерсТ»: Нитрид-борные нанокомпозиты для доставки лекарств. 2D наноматериалы помогут создать портативную искусственную почку. Обзор по cтрейнтронике. Доставка лекарств с помощью борнитридных фуллеренов. Речные фуллерены. Научный хит-парад 2018 по версии APS

Лекция Константина Севернинова: от бактериального иммунитета к геномному редактированию
20 декабря состоялась лекция молекулярного биолога, профессора Константина Северинова.
На лекции обсуждались вопросы: какова природа генетических болезней, и сможем ли мы лечить их в ближайшем будущем; что такое система CRISPR-Cas, и как бактерии используют её для борьбы с вирусами, и как изучение этого необычного механизма привело к созданию мощного инструмента геномного редактирования.

Наносистемы: физика, химия, математика (2018, том 9, № 6)
Опубликован новый номер журнала "Наносистемы: физика, химия, математика". Ознакомиться с его содержанием, а также скачать необходимые Вам статьи можно по адресу: http://nanojournal.ifmo.ru/articles/volume9/9-6
Там же можно скачать номер журнала целиком.

Почувствовать живое...
Е.А.Гудилин, А.А.Семенова, Н.А.Браже
Неразрушающее исследование живых клеток и клеточных структур является в настоящее время важным направлением научных изысканий, которые во многих зарубежных и российских научных группах направлены на достижение вполне прагматической цели – разработку новых принципов биомедицинской диагностики и эффективных подходов в нарождающейся персональной медицине.

Российская газета: Перевернуть пирамиду. Президент РАН: как повысить наши шансы на Нобеля
Юрий Медведев
Почему Россия по числу Нобелей отстает от ведущих стран мира, уступая, например, даже маленькой Швейцарии? Замалчиваются ли достижения отечественных ученых? Почему без привлечения в науку российского бизнеса мы не сможем успешно конкурировать в борьбе за престижную научную премию? Об этом корреспондент "РГ" беседует с президентом РАН Александром Сергеевым, который побывал в Стокгольме на вручении Нобелевских премий и поделился своими впечатлениями.

Эффект лотоса
Никельшпарг Эвелина Ильинична
Кратко и поэтично об одном из самых известных эффектов, который так любят школьники и участники наноолимпиады - об эффекте лотоса...

Инновационные системы: достижения и проблемы
Олег Фиговский, Валерий Гумаров

Технопредпринимательство на марше

Мы традиционно просим вас высказать свои краткие суждения по вопросу технопредпринимательства и проектной деятельности школьников. Для нас очевидно, что под технопредпринимательством и под проектной деятельностью школьников каждый понимает свое, но нам интересно ваше мнение, заодно вы сможете увидеть по мере прохождения опроса, насколько оно совпадает или отличается от мнения остальных. Ждем ваших ответов!

О наноолимпиаде замолвите слово...

Прошла XII Всероссийская олимпиада "Нанотехнологии - прорыв в Будущее!" Мы надеемся, что нам для улучшения организации последующих наноолимпиад поможет электронное анкетирование. Мы ждем Ваших замечаний, пожеланий, предложений. Спасибо заранее!

Опыт обучения в области нанотехнологического технопредпринимательства

В этом опросе мы просим поделиться опытом и Вашим отношением к нанотехнологическому технопредпринимательству и смежным областям. Заранее спасибо за Ваше неравнодушие!



 
Сайт создан в 2006 году совместными усилиями группы сотрудников и выпускников ФНМ МГУ.
Сайт модернизирован для ресурсной поддержки проектной деятельности учащихся в рамках ГК 16.647.12.2059 (МОН РФ)
Частичное или полное копирование материалов сайта возможно. Но прежде чем это делать ознакомьтесь с инструкцией.