当温度降低至冰点之后，液态及气态水分子分别通过凝固和凝华作用变成冰。根据目前的研究结果，人们已经发现了18种不同的冰晶结构。
不过，这18种冰晶大部分都是在人为实验环境下通过调节压力和温度后得到的。目前只有六方相(hexagonal)冰(Ⅰh)和立方相(cubic)冰(Ⅰc)在自然界中可以自发形成和存在。其中，人们最早认识和研究的即是六方相冰(Ⅰh)，因为它形成的条件要求较低，在自然界中分布最广。细心的人可以发现，冬天天空飘落的雪花大多就是六角形状的，这就是空气中水分子形成六方相冰(Ⅰh)导致的。美国加州理工学院的物理学教授 Kenneth G Libbrecht是一位雪花痴迷者，他专门搭建了实验室来研究冰晶和雪花的形成。在对这二者的关系进行解密之前，我们首先感受一下Libbrecht教授实验室的六角结构雪花精美图像(更多图片见Libbrecht教授主页：http://snowcrystals.com/)。
为什么自然界的雪花总是倾向于形成六角结构呢？Libbrecht教授发现这是由于水分子较容易形成六方相冰(Ⅰh)导致的。水分子先结晶形成六方相冰，这种冰晶生长有两个方向：延平面生长与延纵轴生长。其中延平面生长的速度更快，而延纵轴生成就慢很多。你可以近似理解冰晶最初的形成其实应该是个扁平的六棱柱，但它在纵轴方向扩展得很慢，而在平面上已经迅速扩展很大了，这样就造成了雪花扁平比很高，看起来是一“片”而不是一个“柱子”。另外，雪花在空中飘浮时还会环绕中心对称点不停地旋转振动，这就等于雪花的每一边都处在完全相同的空气环境中，如此就保证了雪花在生长过程中始终是对称的。
六角相冰结构
雪花形成示意图
Libbrecht教授实验室研究雪花生长过程：
世界上没有完全相同的两片雪花，但是通过控制冰晶生长的压力、湿度和温度等条件，Libbrecht教授在实验室制备得到了相同形状的两片雪花。
双胞胎雪花生长过程：
（文章来源于公众号：化学教与学-教育风采-化学科普）