Для формирования обычной снежинки, согласно ювелирским исследованиям, в капле воды необходимо не менее 90 молекул.
В зависимости от условий, вода способна формировать кристаллы различного размера, формы и симметрии. Тем не менее, обычный лед, который мы обычно наблюдаем, в большинстве случаев является разновидностью Ih. Он сохраняет свои свойства в широком диапазоне температур и давлений, образуя кристаллы с гексагональной, или шестисторонней, симметрией.
Их формирование начинается в атмосфере, из мельчайших скоплений воды, которые охлаждаются: кристаллизованные микроскопические зародыши стремительно увеличиваются в размерах и превращаются в полноценные снежинки, затем опадающие на землю. Зарождение будущей ледяной снежинки представляет особый интерес: какой минимальный объем воды необходим для появления кристаллического ядра? Его невозможно создать из двух или даже десяти молекул, а существующие оценки демонстрируют значительный разброс – от нескольких десятков до нескольких сотен молекул.
В ходе экспериментов с переохлажденной жидкостью было зафиксировано образование кристаллов. Однако эти условия значительно отличаются от тех, что наблюдаются в естественной среде, например, в воздухе. Компьютерное моделирование этого процесса также не дает однозначных результатов. Поэтому Томас Цойх и его коллеги решили объединить новые технологии моделирования с инновационными экспериментальными подходами.
Для проведения экспериментов исследователи применяли управляемый поток молекул воды, смешанных с инертным газом аргоном, который пропускался через сопло диаметром 60 микрометров. По мере истечения из сопла смесь проходила через зоны с последовательно снижающейся температурой, обеспечивая более медленное и аккуратное охлаждение по сравнению с предыдущими исследованиями. Температура постепенно снижалась до отметки минус 123 °С, а инфракрасный спектр позволил ученым зафиксировать момент перехода вещества из жидкого состояния в твердое.
В статье, опубликованной в журнале PNAS, по данным исследований ученых, для начала формирования зародыша кристалла требуется от 90 до 150 молекул. Этот скопление молекул воды, называемое «нанокаплей», будет иметь диаметр около двух нанометров, что в миллион раз меньше, чем будущая снежинка.