Kenneth Libbrecht er den sjældne person, der midt om vinteren med glæde forlader det sydlige Californien for et sted som Fairbanks i Alaska, hvor temperaturen om vinteren sjældent kommer over frysepunktet. Der tager han en parka på og sidder på en mark med et kamera og et stykke skumplade og venter på sne.

Særligt set søger han efter de mest funklende, skarpeste og smukkeste snekrystaller, som naturen kan frembringe. De bedste flager har en tendens til at blive dannet på de koldeste steder, siger han, f.eks. i Fairbanks og i det sneklædte New York. Den bedste sne, han nogensinde har fundet, var i Cochrane i det fjerntliggende nordøstlige Ontario, hvor der er lidt vind til at slå snefnuggene, når de falder gennem himlen.

Samlet inde i elementerne scanner Libbrecht sin tavle med en arkæologs tålmodighed og leder efter perfekte snefnug og andre snekrystaller. “Hvis der er en rigtig flot en der, vil dit øje finde den”, siger han. “Hvis ikke, børster man det bare væk, og det gør man i timevis.”

Libbrecht er fysiker. Hans laboratorium på California Institute of Technology har undersøgt solens indre struktur og udviklet avancerede instrumenter til påvisning af gravitationsbølger. Men i 20 år har Libbrechts passion været sneen – ikke kun dens udseende, men også hvad der får den til at se ud, som den gør. “Det er lidt pinligt, når noget falder ned fra himlen, og man tænker: ‘Hvorfor ser det sådan ud? Beats me,” sagde han.

I 75 år har fysikere vidst, at de små krystaller i sne passer ind i to fremherskende typer. Den ene er den ikoniske flade stjerne med enten seks eller 12 spidser, som hver er dekoreret med matchende kniplinger i et svimlende udvalg af muligheder. Den anden er en søjle, der nogle gange er indlejret af flade hætter og andre gange ligner en bolt fra et byggemarked. Disse forskellige former forekommer ved forskellige temperaturer og fugtighedsgrader, men årsagen hertil har været et mysterium.

Igennem årene har Libbrechts omhyggelige observationer givet indsigt i snekrystalliseringsprocessen. “Han er helt sikkert paven på området,” siger Gilles Demange, der er materialeforsker ved universitetet i Rouen i Frankrig og også studerer snekrystaller.

Nu har Libbrechts arbejde med sneen udkrystalliseret sig i en ny model, der forsøger at forklare, hvorfor snefnug og andre snekrystaller dannes på den måde, de gør. Hans model, der er beskrevet i detaljer i et dokument, som han lagde online i oktober, beskriver vandmolekylernes dans nær frysepunktet, og hvordan disse molekylers særlige bevægelser kan forklare de mange forskellige krystaller, der dannes under forskellige forhold. I en separat, 540 sider lang monografi beskriver Libbrecht den samlede viden om snekrystaller. Douglas Natelson, der er fysiker i kondenseret stof ved Rice University, kaldte den nye monografi for “en tour de force.”

“Som værk”, sagde Natelson, “er den fantastisk.”

Six-Cornered Starlets

Alle ved, at der ikke er to snefnug, der er ens, hvilket skyldes den måde, krystallerne koger op på himlen. Sne er en klynge af iskrystaller, der dannes i atmosfæren og bevarer deres form, når de samlet falder ned på Jorden. De dannes, når atmosfæren er kold nok til at forhindre dem i at smelte eller smelte og blive til slud eller regn.

Og selv om en sky indeholder mange forskellige temperaturer og fugtighedsniveauer, er disse variabler så godt som konstante på tværs af et enkelt snefnug. Det er derfor, at snefnugs vækst ofte er symmetrisk. På den anden side er hvert enkelt snefnug udsat for skiftende vinde, sollys og andre variabler, bemærker Mary Jane Shultz, en kemiker ved Tufts University, som for nylig har udgivet et essay om snefnugs fysik. Efterhånden som hvert enkelt krystal underkaster sig skyens kaos, antager de alle lidt forskellige former, forklarer hun.

De tidligste nedskrevne overvejelser om disse delikate former stammer fra 135 f.Kr. i Kina, ifølge Libbrechts forskning. “Blomster af planter og træer er generelt femspidsede, men blomster af sne, som kaldes ying, er altid seksspidsede,” skrev den lærde Han Yin. Men den første videnskabsmand, der forsøgte at forstå, hvorfor dette sker, var sandsynligvis Johannes Kepler, den tyske videnskabsmand og multikunstner.

I 1611 tilbød Kepler sin protektor, den tysk-romerske kejser Rudolf II, en nytårsgave: et essay kaldet “Det sekskantede snefnug”. Kepler skriver, at han lagde mærke til et snefnug på sit revers, da han gik over Karlsbroen i Prag, og at han ikke kunne lade være med at tænke over dets geometri. “Der må være en årsag til, at sneen har form som en sekskantet stjerne. Det kan ikke være tilfældigt,” skrev han.

Han ville have mindet om et brev fra sin samtidige Thomas Harriot, en engelsk videnskabsmand og astronom, der blandt mange andre roller fungerede som navigatør for opdagelsesrejsende Sir Walter Raleigh. Omkring 1584 søgte Harriot den mest effektive måde at stable kanonkugler på Raleighs skibsdæk på. Sekskantede mønstre syntes at være den bedste måde at pakke kugler tæt sammen på, fandt Harriot, og han korresponderede med Kepler om dette. Kepler spekulerede på, om noget lignende fandt sted i snefnug, og om deres seks sider kunne fastgøres på arrangementet af “den mindste naturlige enhed i en væske som vand”.”

Det var en bemærkelsesværdig tidlig indsigt i atomfysikken, en indsigt, der først ville blive formaliseret om yderligere 300 år. Faktisk har vandmolekyler med deres to hydrogener og et oxygen en tendens til at låse sig sammen og danne sekskantede felter. Kepler og hans samtidige kunne ikke have vidst, hvor stor betydning dette har. “På grund af hydrogenbindingerne og detaljerne i molekylernes samspil med hinanden har man denne forholdsvis åbne krystalstruktur”, siger Natelson. Ud over at hjælpe med at få snefnug til at vokse, gør denne sekskantede struktur isen mindre tæt end flydende vand, hvilket har stor betydning for geokemi, geofysik og klima. Ifølge Natelson ville “liv på Jorden ikke være muligt, hvis isen ikke flød,”

Efter Keplers afhandling forblev observationen af snefnug mere en hobby end en videnskab. I 1880’erne begyndte en amerikansk fotograf ved navn Wilson Bentley – fra den kolde, kvalitetssneproducerende landsby Jericho i Vermont – at lave de første billeder af snekrystaller ved hjælp af fotografiske plader. Han producerede mere end 5.000 billeder, inden han til sidst bukkede under for en lungebetændelse.

Derpå indledte den japanske forsker Ukichiro Nakaya i 1930’erne en systematisk undersøgelse af de forskellige typer snekrystaller. I midten af århundredet producerede Nakaya snefnug i et laboratorium ved hjælp af individuelle kaninhår til at sætte frostkrystaller op i kølet luft, hvor de kunne vokse til fuldvoksne snefnug. Han manipulerede med fugtigheds- og temperaturindstillinger for at dyrke de to vigtigste krystaltyper og samlede sit grundlæggende katalog over mulige former. Nakaya fandt ud af, at stjerner har tendens til at blive dannet ved -2 grader celsius og -15 C. Søjlerne dannes ved -5 C og igen ved ca. -30 C. Ved lav luftfugtighed danner stjernerne få grene og ligner sekskantede plader, men ved høj luftfugtighed vokser stjernerne med mere indviklede, blondeagtige mønstre.

Ligeledes begyndte man ifølge Libbrecht at få klarhed over årsagen til de forskellige krystalformer efter Nakayas pionerarbejde. Krystaller vokser til flade stjerner og plader (snarere end tredimensionelle strukturer), når kanterne vokser hurtigt udad, mens fladerne vokser langsomt opad. Slanke søjler vokser på en anden måde med hurtigt voksende flader og langsommere voksende kanter.

Men de underliggende atomare processer, der dikterer, om snekrystaller bliver formet som stjerner eller søjler, var fortsat uigennemskuelige. “Hvad ændrer sig med temperaturen?” Libbrecht sagde. “Jeg har forsøgt at stykke alt det sammen.”

Snefnugsopskrift

Libbrecht og den meget lille gruppe af forskere, der studerer dette problem, har forsøgt at finde frem til en snefnugsopskrift, så at sige – et sæt ligninger og parametre, der kan føres ind i en supercomputer, som så kan spytte den pragtfulde variation af snefnug ud, som vi faktisk ser.

Libbrecht tog fat på denne opgave for to årtier siden, efter at han havde hørt om den eksotiske snefnugform, der kaldes en “cappped column”. Den ligner en tom spole, eller to hjul og en aksel. Som indfødt fra North Dakota var han chokeret og undrede sig: “Hvordan kan det være, at jeg aldrig har set sådan en?” Han var fascineret af de uendelige former for sne og begyndte at forstå deres natur til en populærvidenskabelig bog, som han senere udgav, og han begyndte også at tage billeder. Snart begyndte han at rode med udstyr til at dyrke snefnug i sit laboratorium. Hans nye model er resultatet af observationer, som han har gjort gennem årtier, og som han siger, at han for nylig begyndte at få styr på.

Hans vigtigste gennembrud var en idé kaldet overfladeenergidrevet molekylær diffusion, som beskriver, hvordan en snekrystals vækst afhænger af de indledende betingelser og adfærden hos de molekyler, der danner den.

Forestil dig vandmolekyler, der er løst anbragt, når vanddampen netop begynder at fryse. Hvis du på en eller anden måde så dette fra et lille observatorium, ville du se, at de frysende vandmolekyler begynder at danne et stift gitter, hvor hvert iltatom er omgivet af fire brintatomer. Disse krystaller vokser ved at inkorporere vandmolekyler fra den omgivende luft i deres mønster. De kan vokse i to hovedretninger: opad eller udad.

Et tyndt, fladt krystal (enten plade- eller stjerneformet) dannes, når kanterne snor sig hurtigere med materiale end krystallens to flader. Den spirende krystal vil sprede sig udad. Men når dens flader vokser hurtigere end dens kanter, vokser krystallen højere og danner en nål, hul søjle eller stang.

I henhold til Libbrechts model sætter vanddamp sig først på krystallens hjørner og diffunderer derefter over overfladen enten til krystallens kant eller til dens flader, hvilket får krystallen til at vokse henholdsvis udad eller opad. Hvilken af disse processer der vinder som forskellige overfladeeffekter og instabiliteter interagerer, afhænger mest af temperaturen.

Alt dette sker kun i is, et usædvanligt mineral, på grund af et fænomen, der kaldes “pre-melting”. Fordi vandis normalt findes tæt på sit smeltepunkt, er de øverste få lag væskeagtige og uordnede. Forsmeltning sker forskelligt på fladerne og kanterne som funktion af temperaturen, selv om detaljerne i dette ikke er helt forstået. “Det er den del af modellen, hvor jeg bare finder på det hele”, siger Libbrecht – selv om han siger, at det overordnede fysiske billede virker plausibelt.

Hans nye model er “semi-empirisk”, delvis afstemt til at matche observationer snarere end at forklare snefnugs vækst helt ud fra første principper. Instabiliteterne og interaktionerne mellem de utallige molekyler er for komplicerede til, at de kan opklares fuldstændigt. Men han håber, at hans idéer vil danne grundlaget for en omfattende model for isens vækstdynamik, som kan udbygges ved hjælp af mere detaljerede målinger og eksperimenter.

Selv om is er særligt mærkeligt, opstår lignende spørgsmål inden for fysik af kondenseret stof mere generelt. Lægemiddelmolekyler, halvlederchips til computere, solceller og utallige andre anvendelser er afhængige af krystaller af høj kvalitet, og hele grupper af forskere fokuserer på de grundlæggende principper for krystalvækst.

Meenesh Singh er en af disse forskere ved University of Illinois i Chicago. I en nylig artikel har Singh og en medforfatter identificeret en ny mekanisme, der kan ligge til grund for krystalvækst i opløsningsmidler, i modsætning til faseændringskrystallisering af Libbrechts sne og is. Ved opløsningsmiddelkrystallisering opløses faste materialer i en opløsning som f.eks. vand eller en anden væske. Ved at justere temperaturen og tilsætte andre opløsningsmidler kan producenterne krystallisere nye lægemiddelmolekyler eller fremstille nye krystaller til solceller osv.

“Alle anvendelser vedrørende krystalvækst behandles empirisk”, sagde Singh. “Man har visse empiriske data, og ved hjælp af disse oplysninger forsøger man at forklare, hvordan et krystal vil vokse.” Men det er ikke klart, sagde han, hvordan et molekyle i opløsningen integreres i en krystal. “Hvad driver egentlig et molekyle til at gøre det? Hvorfor skulle jeg gå over i en krystal? Hvis man begynder at spekulere, skaber det en masse spørgsmål, og disse spørgsmål er ikke besvaret.”

Libbrecht mener, at bedre eksperimenter og mere sofistikerede computersimuleringer vil besvare mange spørgsmål om krystalvækst i de kommende år. “En dag vil man være i stand til at lave en hel molekylær model helt ned til atomet og se disse fænomener, der foregår, helt ned til kvantemekanikken,” sagde han.

Mens han forsøger at optrævle fysikken, nyder han stadig at fotografere snekrystaller og de rejser, der følger med. Men på det seneste er han blevet boende i det solrige Sydcalifornien, hvor han har indrettet et sofistikeret system til at dyrke snefnug i sit laboratorium. Som 61-årig nærmer han sig pensionering, hvilket betyder, siger han, “at jeg smider lænkerne fra mine andre job. Jeg vil bare lave is fra nu af.”

Originalhistorien er genoptrykt med tilladelse fra Quanta Magazine, en redaktionelt uafhængig publikation fra Simons Foundation, hvis mission er at øge offentlighedens forståelse af videnskaben ved at dække forskningens udvikling og tendenser inden for matematik og de fysiske og biologiske videnskaber.

Mere store WIRED-historier

• Hvor 5G-datastormen vil ramme først
• Hvordan vi lærte at elske den pædagogiske damp fra STEM
• Hvad en 5,700 år gammelt stykke tyggegummi afslører om dets tygger
• Mød aktivisterne, der risikerer fængsel for at filme VR i fabriksfarme
• Notér dine tanker med disse fantastiske note-taking-apps
• 👁 Vil AI som område snart “ramme muren”? Plus de seneste nyheder om kunstig intelligens
• 💻 Opgrader din arbejdsindsats med vores Gear-teams foretrukne bærbare computere, tastaturer, skrivealternativer og støjreducerende hovedtelefoner