水結晶

自然界中常見於寒冷的冬季，在溫度較低時凍結的冰塊、水霧在氣溫驟降時附著在樹枝上形成的霧凇、過冷水從雲層中落下碰到物體后形成的凍雨、雲層自然凝結並結晶形成的雪花、冬季室內空氣中的水汽遇到寒冷玻璃形成的霜花等等，都是液體水或者氣體水在凝固點溫度以下所凝固成晶體后的宏觀結果。這是一種常見的自然現象。

自然界中液體凝固成晶體的過程叫做結晶。水（H₂O）會在特定的環境下形成固體，水的固態——冰，一般是呈多晶體狀態，雖然和晶體一樣有固定的熔點，但有一些晶體特徵它不具備，如各向異性和規則形狀。由於冰不具備規則的質點徠排列形狀，因此冰的微觀形態是不固定的。從微觀上看，水在溫度降低到凝固點以下且有凝結核的情況下，會首先結晶成單晶，然後以單晶為凝結核繼續結晶，形成形狀各異的結晶（多晶）。受結晶時的溫度、壓力、雜質等很多因素的影響，水結晶（多晶）的微觀形狀各不相同。

加州理工學院物理系主任Kenneth Lebbrecht在研究水結晶的過程中發現，水分子可以形成六角形的晶格結構，這些六角體有兩個六角形的面和六個正方形的面。

（水分子可以通過有規律地排列形成晶體，圖中紅色的點代表氧原子）

如果晶體向兩個六角形的面的方向生長，就會變成一個柱狀晶體；而如果向六個正方形面的方向生長，則會形成一個片狀的六邊形晶體

（晶體的生長方向很大程度上決定了晶體的最終形狀）

在此基礎上，片狀或柱狀晶體還能長成更加複雜的結構，最終形成各式各樣的雪花。

（雪花的形成過程）

Kenneth Lebbrecht發現，溫度和濕度是決定雪花形狀的最重要的兩個因素。如果結晶溫度在-5℃到-10℃之間，晶體更容易形成柱狀或是針狀的結構。而在-15℃左右的情況下，水氣傾向於結成片狀的雪花。至於雪花的複雜程度，則和濕度有關。濕度越小，雪花的形狀就越簡單。

（雪花的形狀和溫度以及濕度有關）