結晶能反映天氣嗎？

隨着環境的變化，在天氣瓶中確實可以看到形態各異的結晶，這個過程看起來相當神奇，也很有美感，但它實在很難反映天氣的變化。

同一瓶溶液，為什麼會出現不同的結晶形態？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着手，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、加壓等方式也會用於調整晶體生長。但即便如此，還是會出現很多意外，比如一粒肉眼不怎麼看得見的PM2.5灰塵掉落到過飽和溶液里，這突然出現的晶核就可能立即打亂之前的所有工作。

具體到天氣瓶來說，到底有哪些因素影響着它的結晶呢？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（Kazushige Nagashima）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[1]。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，真正造成影響的主要因素就是環境溫度以及溫度變化的速率。

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，最終就像雪花一樣，而降溫很慢時，則傾向於針狀晶體長有一些簇狀分支，有些像雞毛撣子的外形。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℃，但外觀上卻有着明顯差異，這進一步說明，結晶的狀態需要考慮結晶過程，具有記憶性。即使將外界條件控制在20℃與30℃間周期性變化，那麼初始狀態分別為無晶體和有很多晶體的相同體系溶液，也會表現出不同的結果，初始狀態沒有結晶體的那一份需要在震盪多個周期後才能達到與另一份同等厚度的結晶，充分證明了「輸在起跑線」這句話的正確性。

由此可見，瓶中晶體的變化至多只能反映環境溫度的變化過程，而氣壓、濕度等其他預報天氣的關鍵指標都無法得以體現。如果真要觀察天氣，天氣瓶的作用恐怕還比不上一個溫度計呢。

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