第一章　自组装

从雪花说起

2015年冬天，武汉难得地下了一场雪。

孩子们对下雪有着天然的喜欢。当时我和5岁的外孙女正在自家的阳台上，她高兴地拍手跳跃，兴高采烈。飘飘下落的雪花装扮出的银色世界确实美丽壮观。看着落在绿色栏杆上的雪花一片一片地堆积，我对她讲雪花与冰箱里的冰是一样的东西，但它的形状是美丽的六边形的花样。

“为什么？”这是外孙女经常会提出的问题。

“为什么冰箱的冰不是花一样的？”她也会进一步地提问。

我一向主张对孩子也要用正确的术语回答，而不要编那些想当然的话语回答他们。我说：“天空中的环境条件与冰箱里的环境条件不一样。形成雪花需要一定的环境条件。”

“什么是环境条件？”她紧追不放。

“就是温度啊、水汽浓度啊、结晶晶核啊。有了晶核才能长出美丽的冰花”。我尽我所知回答。

“为什么会长出美丽的冰花？”她要一问到底。

这时我语塞了。是的，下雪时，天空中的水汽结晶过程中为什么要组成规则的六角形冰花？

“也许大自然是爱美的吧”，我自言自语地说。因为我不确定这样的回答是否是雪花形成的真相。

看着不断飘落的雪花，思考着外孙女的提问，我联想到最近几年正在关注的分子自组装方面的信息，忽然觉得以雪花为引子，也许是探索物质自组装过程的一个很好的起点。

那就让我们从雪花开始吧。

为什么要从雪花开始？因为雪花是大自然中生成的一种物质。下雪是一种自然现象，没有假手于人。在地球上还没有人类的时候，雪花就曾经无数次飘落。这不会有人怀疑。地质考察也早就证明，地球曾经经历过多个冰河期，其中最近的冰河期已经有动物可以见证，但是还没有证据证明当时已经有人类。总之，雪花是不依人的意志而存在的有规则而又美丽的自然生成物。

现在，我们知道雪花是水的形态之一，是固态的水。但是，它为什么会形成如此美丽规则的图形（图1-1），还没有完全令人信服的答案。

图1-1　各种雪花结晶

人们已经可以精确地知道每片雪花的重量、尺寸。例如，单个雪花的直径通常在0.05～4.6毫米之间，单个重量只有0.2～0.5克。也知道空中形成雪花必须具备两个条件：一个是水汽饱和，空气在某一个温度下所能包含的最大水汽量，叫做饱和水汽量；空气达到饱和时的温度，叫做露点；饱和的空气冷却到露点以下的温度时，空气里就有多余的水汽变成水滴或冰晶。在高空低温环境里，冰晶比水滴更容易产生。 另一个是空气里必须有凝结核，如果没有凝结核，空气里的水汽过饱和到相对湿度500%以上的程度，才有可能凝聚成水滴。但这样大的过饱和现象在自然大气里是不会存在的。所以没有凝结核的话，我们地球上就很难见到雨雪。凝结核是一些悬浮在空中的很微小的固体微粒。最理想的凝结核是那些吸收水分最强的物质微粒，比如说盐粒、硫酸、氮和其他一些化学物质的微粒（这也是往积雨云层中洒干冰或碘化银可以人工降雨的原因）。

科学家解答了雪花形成的原因。但是为什么会形成这种规划的花样结构，就没有什么明确的解析了。因为从表面积最小的原理可以知道（图1-2），水汽的冰晶完全可以是球状的颗粒（下的雪有时是球形颗粒，冰雹更是）。但雪花却明明经常是美丽的六角形对称花样。它在高空中以更小的微粒拼接出正六边形的花形，不能不说是奇迹。大自然也是爱美的，人们这样想。

图1-2　相同周长（L）不同形状面积（S）的比较

在地球表面只有无机物的时代，雪花也许是唯一展示出大自然爱美的物体。在生命出现以后，特别是在植物出现以后，大自然爱美的证据就比比皆是了。各种各样的鲜花绿叶开始在地球表面出现，装点着地球表面。这时的地球，除了雪花的白色，还有五颜六色的花花草草。大自然从哪里弄来这些色彩？大自然为什么会爱美?很值得人们去深究。如果仔细地想想，会觉得眼睛也是大自然为了欣赏这种美的造物。

当然，达尔文的进化论，在很大程度上科学地揭示了生物进化的秘密。但是，在涉及无生命时代的例如雪花这样有规律的物质结构现象，还缺少有说服力的解析。

雪花在空中自由组装出的正六边形的花样（图1-3），不是偶然的。几何学告诉我们，正六边形有最好的拼接性能。它可以用最少的边线构成最大的面积并且达到无缝连接。构成一个一定形状的平面，虽然圆形有最少的边线（周长），但是，用圆形来进行紧密拼接时，每个圆之间都会有间隙，这样会出现无效空间。正方形虽然也有很好的拼接性能，但是同样周长的正方形所构成的面积要小于六边形，同时正方形以两条边定位的方式拼接时，在空间拓展上没有正六边形那样有更多的方向性。在相同周长围成的面积中，圆形的最大，这也是宇宙中呈现最多的形状是圆形的原因。但是，对于无缝拼接来说，正六边形是最佳选择。雪花正是由细小的正六边形冰晶拼接而成的。这种自然天成的巧妙结构在其他场景中也有体现，而最典型的自然应用则是蜜蜂的巢。

图1-3　冰晶体结构模型

蜂巢是正六边形结构（图1-4），这种结构在节省材料和增强稳定性和强度方面非常优秀。我们不能说蜜蜂是受到雪花的启发，但可以说自然界在进化进程中，趋向复杂和有序的意识是很明显的。科学家们研究发现，正六角形的建筑结构，拼接时的密合度最高、所需材料最简、可使用空间最大。因此，一个不大的蜂巢可容纳数量高达上万只的蜜蜂居住。这种正六角形的蜂巢结构，其中惊人的数学和建筑结构原理，令人叹为观止。而人类则从蜂巢受到了启发，在现代结构材料中大量进行了应用。其中应用最广泛的是在各种需要减重而又增加强度的结构中采用蜂巢结构夹层。这在飞机、航天器、汽车、建筑材料、包装材料等诸多产业都有应用。

图1-4　蜂巢结构构件

我们在见到这许多应用的时候，往往只知道这是工程技术人员的聪明构思，而不大知道这是源于自然的启发。

除了自然中呈现的雪花和蜂巢是巧妙的六边形结构，在非人工的自组装过程中呈现正六边形结构的还有铝的阳极氧化过程。阳极氧化是在铝表面获得致密氧化膜的一种重要表面处理技术。这种硬质的铝氧化膜不仅提高了铝的耐腐蚀性能，而由于这种氧化膜的多孔结构可以染色和储存其他功能微粒，进一步增强铝表面的功能性和装饰性。非常奇妙的是，通过在酸性电解液中经阳极氧化形成的铝的氧化物膜呈现的是正六边柱形结构（图1-5）。由于这种孔隙的尺寸是纳米级的，因此，现在也将铝氧化获得的细长孔膜用作纳米管，可以采用电化学方法在其中电沉积镍等金属而获得金属纳米线。

以上这些例子说明，自然中的物质在一定环境条件下形成有序合理结构的能力不是孤独或偶然的现象，而是一种普遍的趋势。正六边形结构只是其中的一个显而易见的例子。特别是雪花，是在高空中自然形成，以最朴素的形式证明了自然具备的这种奇巧能力。蜜蜂则以其辛勤的劳作在为自己建筑的巢中显示了奇巧。铝电解氧化膜虽然是人类发明的工艺所制作出来的，但成膜的过程和膜的形状并非人工控制的，也是自组装的过程。这些都呈现出物质在自然中的有序性。物质这种趋向有序的性质，在更微观的层次也是存在的，例如元素的形成，就是复杂而有序的。我们会在后面详细讨论。

图1-5　铝阳极氧化膜电镜图