Kenneth Libbrecht je vzácný člověk, který uprostřed zimy s radostí odjíždí z jižní Kalifornie na místo, jako je Fairbanks na Aljašce, kde teploty v zimě jen zřídka stoupají nad bod mrazu. Tam si oblékne parku, sedí na poli s fotoaparátem a kusem pěnové desky a čeká na sníh.

Konkrétně hledá ty nejiskřivé, nejostřejší a nejkrásnější sněhové krystalky, které příroda dokáže vytvořit. Vynikající vločky se podle něj obvykle tvoří na nejchladnějších místech, jako je Fairbanks a zasněžený severní New York. Nejlepší sníh, který kdy našel, byl v Cochrane v odlehlém severovýchodním Ontariu, kde je málo větru, který by rozrážel sněhové vločky padající po obloze.

Uzavřený v živlu Libbrecht s trpělivostí archeologa prohledává svou desku a hledá dokonalé sněhové vločky a další sněhové krystaly. “Když je tam nějaký opravdu pěkný, vaše oko ho najde,” říká. “Pokud ne, prostě to smetete a děláte to celé hodiny.”

Libbrecht je fyzik. Jeho laboratoř na Kalifornském technologickém institutu zkoumala vnitřní strukturu Slunce a vyvinula pokročilé přístroje pro detekci gravitačních vln. Již 20 let je však Libbrechtovou vášní sníh – nejen jeho vzhled, ale také to, co způsobuje, že vypadá tak, jak vypadá. “Je to trochu trapné, když něco padá z oblohy a člověk si říká: ‘Proč to tak vypadá? To mi hlava nebere,'” řekl.

Již 75 let fyzikové vědí, že drobné krystalky ve sněhu spadají do dvou převládajících typů. Jedním z nich je ikonická plochá hvězda se šesti nebo dvanácti cípy, z nichž každý je zdoben odpovídajícími větvičkami krajky v závratné škále možností. Druhým jsou sloupce, někdy sevřené plochými čepičkami a jindy připomínající šroub z železářství. Tyto různé tvary se objevují při různých teplotách a vlhkosti, ale jejich důvod byl dosud záhadou.

V průběhu let přinesla Libbrechtova pečlivá pozorování poznatky o procesu krystalizace sněhu. “V této oblasti je určitě papežem,” řekl Gilles Demange, materiálový vědec z univerzity v Rouenu ve Francii, který se také zabývá studiem sněhových krystalů.

Nyní Libbrechtova práce na sněhu vykrystalizovala v nový model, který se snaží vysvětlit, proč se sněhové vločky a další sněhové krystaly tvoří tak, jak se tvoří. Jeho model, podrobně popsaný v článku, který v říjnu zveřejnil na internetu, popisuje tanec molekul vody v blízkosti bodu mrazu a to, jak konkrétní pohyby těchto molekul mohou vysvětlovat množství krystalů, které se tvoří za různých podmínek. V samostatné monografii o 540 stranách Libbrecht popisuje veškeré poznatky o sněhových krystalech. Douglas Natelson, fyzik kondenzovaných látek na Riceově univerzitě, nazval novou monografii “tour de force”.

“Jako dílo,” řekl Natelson, “je to nádhera.”

Šestihroté hvězdičky

Každý ví, že žádné dvě sněhové vločky nejsou stejné, což vyplývá ze způsobu, jakým se krystaly na obloze vaří. Sníh je shluk ledových krystalků, které se tvoří v atmosféře a zachovávají si svůj tvar, když společně padají na Zemi. Tvoří se, když je atmosféra dostatečně chladná na to, aby se nespojily nebo neroztály a nestaly se sněhem nebo deštěm.

Ačkoli mrak obsahuje množství teplot a úrovní vlhkosti, tyto proměnné jsou napříč jedinou sněhovou vločkou stejně dobré jako konstantní. Proto je růst sněhových vloček často symetrický. Na druhou stranu je každá sněhová vločka bičována měnícím se větrem, slunečním světlem a dalšími proměnnými, upozorňuje Mary Jane Shultzová, chemička z Tuftsovy univerzity, která nedávno publikovala esej o fyzice sněhových vloček. Jak každý krystal podléhá chaosu mraku, všechny na sebe berou trochu odlišnou podobu, vysvětluje.

Podle Libbrechtova výzkumu pocházejí nejstarší zaznamenané úvahy o těchto jemných tvarech z Číny z roku 135 před naším letopočtem. “Květy rostlin a stromů jsou obvykle pěticípé, ale květy sněhu, které se nazývají ying, jsou vždy šestihroté,” napsal učenec Han Yin. Prvním vědcem, který se snažil pochopit, proč se tak děje, byl však pravděpodobně Johannes Kepler, německý vědec a polyhistor.

V roce 1611 nabídl Kepler svému mecenáši, císaři Svaté říše římské Rudolfu II. novoroční dárek: esej nazvanou “Šestihrotá sněhová vločka”. Kepler píše, že si všiml sněhové vločky na klopě, když přecházel pražský Karlův most, a nemohl se ubránit úvahám o její geometrii. “Musí existovat nějaká příčina, proč má sníh tvar šestiúhelníkové hvězdice. Nemůže to být náhoda,” napsal.

Mohl si vzpomenout na dopis svého současníka Thomase Harriota, anglického vědce a astronoma, který kromě mnoha jiných rolí působil jako navigátor objevitele sira Waltera Raleigha. Kolem roku 1584 Harriot hledal nejefektivnější způsob skládání dělových koulí na paluby Raleighových lodí. Harriot zjistil, že nejlepším způsobem, jak poskládat koule těsně vedle sebe, jsou šestiúhelníky, a dopisoval si o tom s Keplerem. Keplera zajímalo, zda se něco podobného odehrává u sněhových vloček a zda jejich šest stran lze přiřadit k uspořádání “nejmenší přírodní jednotky kapaliny, jako je voda.”

Byl to pozoruhodný raný vhled do atomové fyziky, který bude formalizován až za dalších 300 let. Molekuly vody se svými dvěma vodíky a jedním kyslíkem mají skutečně tendenci uzavírat se do šestiúhelníkových polí. Kepler ani jeho současníci nemohli tušit, jak velký význam to má. “Díky vodíkovým vazbám a detailům, jak na sebe molekuly vzájemně působí, máte tuto poměrně otevřenou krystalovou strukturu,” řekl Natelson. Kromě toho, že tato hexagonální struktura napomáhá růstu sněhových vloček, je led méně hustý než kapalná voda, což má obrovský vliv na geochemii, geofyziku a klima. Podle Natelsona, kdyby led neplaval, “život na Zemi by nebyl možný.”

Po Keplerově pojednání zůstalo pozorování sněhových vloček spíše koníčkem než vědou. V 80. letech 19. století začal americký fotograf Wilson Bentley – z chladné, kvalitní sníh produkující vesnice Jericho ve Vermontu – pořizovat první snímky sněhových krystalů pomocí fotografických desek. Vytvořil více než 5 000 snímků, než nakonec podlehl zápalu plic.

Ve 30. letech 20. století začal japonský badatel Ukichiro Nakaya systematicky studovat různé typy sněhových krystalů. V polovině století Nakaya vyráběl sněhové vločky v laboratoři pomocí jednotlivých králičích chlupů, které zavěšoval do chlazeného vzduchu, kde z nich mohly vyrůst plnohodnotné sněhové vločky. Při pěstování dvou hlavních typů krystalů si pohrával s nastavením vlhkosti a teploty a sestavil svůj základní katalog možných tvarů. Nakaya zjistil, že hvězdičky mají tendenci se tvořit při -2 stupních Celsia a -15 C. Sloupky se tvoří při -5 C a opět asi při -30 C. Při nízké vlhkosti se hvězdičky málo větví a připomínají šestiúhelníkové desky, ale při vysoké vlhkosti rostou složitější, krajkovité vzory.

Podle Libbrechta se po Nakayově průkopnické práci začal objevovat i důvod různých tvarů krystalů. Krystaly rostou do plochých hvězdic a destiček (spíše než do trojrozměrných struktur), když hrany rostou rychle směrem ven, zatímco plochy rostou pomalu nahoru. Štíhlé sloupy rostou jiným způsobem, s rychle rostoucími stěnami a pomaleji rostoucími hranami.

Ale základní atomové procesy, které určují, zda sněhové krystaly budou mít tvar hvězd nebo sloupů, zůstávaly neprůhledné. “Co se mění s teplotou?” Libbrecht řekl. “Snažím se to všechno dát dohromady.”

Recept na sněhovou vločku

Libbrecht a velmi malý okruh vědců, kteří se touto problematikou zabývají, se snaží přijít takříkajíc s receptem na sněhovou vločku – se souborem rovnic a parametrů, které lze vložit do superpočítače, který by pak vyplivl nádhernou rozmanitost sněhových vloček, jakou skutečně vidíme.

Libbrecht se do této snahy pustil před dvaceti lety poté, co se dozvěděl o exotickém tvaru sněhové vločky, kterému se říká čepičatý sloupek. Vypadá jako prázdná cívka nebo dvě kola a náprava. Jako rodák ze Severní Dakoty byl šokován a divil se: “Jak to, že jsem takový nikdy neviděl?”. Fascinován nekonečnými formami sněhu se pustil do poznávání jejich podstaty pro populárně-naučnou knihu, kterou později vydal, a začal je také fotografovat. Brzy si ve své laboratoři pohrával se zařízením na pěstování sněhových vloček. Jeho nový model je výsledkem pozorování, která prováděl desítky let a která podle jeho slov začala nedávno splývat.

Jeho klíčovým objevem byla myšlenka zvaná molekulární difúze řízená povrchovou energií, která popisuje, jak růst sněhového krystalu závisí na počátečních podmínkách a chování molekul, které ho tvoří.

Představte si volně uspořádané molekuly vody, jak vodní pára právě začíná mrznout. Kdybyste se na to nějakým způsobem dívali z malé observatoře, viděli byste, že molekuly mrznoucí vody začínají tvořit pevnou mřížku, přičemž každý atom kyslíku je obklopen čtyřmi atomy vodíku. Tyto krystaly rostou tím, že do svého obrazce začleňují molekuly vody z okolního vzduchu. Mohou růst dvěma hlavními směry: nahoru nebo ven.

Tenký, plochý krystal (buď deskovitý, nebo hvězdicovitý) vzniká, když se okraje provazcují materiálem rychleji než dvě stěny krystalu. Rozrůstající se krystal se rozšíří směrem ven. Když však jeho stěny rostou rychleji než hrany, krystal roste do výšky a vytváří jehlu, dutý sloup nebo tyč.

Podle Libbrechtova modelu se vodní pára nejprve usadí na rozích krystalu a pak difunduje po povrchu buď k hraně krystalu, nebo k jeho stěnám, což způsobuje růst krystalu směrem ven, resp. vzhůru. Který z těchto procesů zvítězí při vzájemném působení různých povrchových efektů a nestabilit, závisí především na teplotě.

To vše se děje pouze u ledu, neobvyklého minerálu, díky jevu zvanému “předtavení”. Protože se vodní led obvykle nachází blízko bodu tání, je několik horních vrstev kapalných a neuspořádaných. K předtavení dochází různě na povrchu a na okrajích v závislosti na teplotě, i když podrobnosti tohoto jevu nejsou zcela známy. “Tohle je část modelu, kde si ho prostě vymýšlím celý,” řekl Libbrecht – i když celkový fyzikální obraz se podle něj zdá být věrohodný.

Jeho nový model je “poloempirický”, částečně vyladěný tak, aby odpovídal pozorování, spíše než aby vysvětloval růst sněhových vloček vycházející zcela z prvních principů. Nestability a interakce mezi nesčetnými molekulami jsou příliš složité na to, aby je bylo možné zcela odhalit. Doufá však, že jeho myšlenky vytvoří základ komplexního modelu dynamiky růstu ledu, který bude možné doplnit podrobnějšími měřeními a experimenty.

Ačkoli je led obzvláště zvláštní, podobné otázky vyvstávají ve fyzice kondenzovaných látek obecněji. Molekuly léků, polovodičové čipy pro počítače, solární články a nespočet dalších aplikací závisí na kvalitních krystalech a celé skupiny výzkumníků se zaměřují na základy růstu krystalů.

Meenesh Singh je jedním z takových výzkumníků na Illinoiské univerzitě v Chicagu. V nedávné práci Singh se spoluautorem identifikoval nový mechanismus, který by mohl být základem růstu krystalů v rozpouštědlech, na rozdíl od krystalizace fázovou změnou Libbrechtova sněhu a ledu. Při krystalizaci v rozpouštědle se pevné materiály rozpouštějí v roztoku, jako je voda nebo jiná kapalina. Úpravou teploty a přidáním jiných rozpouštědel mohou výrobci krystalizovat nové molekuly léčiv nebo vyrábět nové krystaly pro solární články a podobně.

“Všechny aplikace týkající se růstu krystalů se řeší empiricky,” řekl Singh. “Máte určitá empirická data a na základě těchto informací se snažíte vysvětlit, jak by krystal rostl.” Podle něj však není jasné, jak se molekula v roztoku začlení do krystalu. “Co vlastně vede molekulu k tomu, aby to udělala? Proč by měla přejít do krystalu? Když se nad tím začnete zamýšlet, vznikne spousta otázek, které nejsou zodpovězeny.”

Libbrecht věří, že lepší experimenty a sofistikovanější počítačové simulace v příštích letech odpoví na mnoho otázek týkajících se růstu krystalů. “Jednou bude možné vytvořit celý molekulární model až k atomu a sledovat tyto jevy, které se dějí, až po kvantovou mechaniku,” řekl.”

Když se snaží odhalit fyziku, stále si užívá fotografování sněhových krystalů a s tím spojené cestování. V poslední době však zůstává na místě ve slunné jižní Kalifornii, kde ve své laboratoři vybudoval důmyslný systém pro pěstování sněhových vloček. Ve svých 61 letech se blíží k důchodu, což podle jeho slov znamená: “Odhazuji okovy svých ostatních zaměstnání. Odteď budu dělat jen led.”

Původní článek byl přetištěn se svolením časopisu Quanta, redakčně nezávislé publikace Simonsovy nadace, jejímž posláním je zlepšovat porozumění veřejnosti vědě tím, že informuje o vývoji výzkumu a trendech v matematice a fyzikálních a přírodních vědách.

Další skvělé příběhy WIREDu

• Kde udeří datová bouře 5G jako první
• Jak jsme se naučili milovat pedagogický opar STEMu
• Jaká je 5,700 let stará žvýkačka prozrazuje o svém žvýkači
• Poznejte aktivisty, kteří riskují vězení, aby natočili VR v továrních farmách
• Zapište si myšlenky pomocí těchto skvělých aplikací na poznámky
• 👁 Narazí umělá inteligence jako obor brzy “do zdi”? Navíc nejnovější zprávy o umělé inteligenci
• 💻 Vylepšete svou pracovní hru s oblíbenými notebooky, klávesnicemi, alternativami pro psaní a sluchátky s potlačením šumu našeho týmu Gear

.