Kenneth Libbrecht ist der seltene Mensch, der mitten im Winter voller Freude Südkalifornien verlässt und an einen Ort wie Fairbanks, Alaska, fährt, wo die Temperaturen im Winter selten über den Gefrierpunkt steigen. Dort zieht er sich einen Parka an, setzt sich mit einer Kamera und einem Stück Schaumstoffplatte auf ein Feld und wartet auf Schnee.

Speziell sucht er nach den funkelndsten, schärfsten und schönsten Schneekristallen, die die Natur hervorbringen kann. Die besten Flocken bilden sich in der Regel an den kältesten Orten, sagt er, wie in Fairbanks und im verschneiten Hinterland von New York. Den besten Schnee, den er je gefunden hat, gab es in Cochrane, im abgelegenen Nordosten Ontarios, wo es wenig Wind gibt, der die Schneeflocken zerschlägt, wenn sie durch den Himmel fallen.

Im Freien sucht Libbrecht sein Brett mit der Geduld eines Archäologen nach perfekten Schneeflocken und anderen Schneekristallen ab. “Wenn es dort eine wirklich schöne Schneeflocke gibt, findet das Auge sie”, sagt er. “Wenn nicht, wischt man sie einfach weg, und das stundenlang.”

Libbrecht ist Physiker. Sein Labor am California Institute of Technology hat die innere Struktur der Sonne untersucht und fortschrittliche Instrumente zur Erkennung von Gravitationswellen entwickelt. Doch seit 20 Jahren gilt Libbrechts Leidenschaft dem Schnee – nicht nur seinem Aussehen, sondern auch dem, was ihn so aussehen lässt, wie er ist. “Es ist ein bisschen peinlich, wenn etwas vom Himmel fällt, und man fragt sich: ‘Warum sieht das so aus? Keine Ahnung'”, sagte er.

Seit 75 Jahren wissen Physiker, dass die winzigen Kristalle im Schnee zwei Haupttypen entsprechen. Der eine ist der ikonische flache Stern mit entweder sechs oder 12 Spitzen, die jeweils mit passenden Spitzenzweigen in einer schwindelerregenden Vielfalt von Möglichkeiten verziert sind. Die andere ist eine Säule, die manchmal von flachen Kappen umgeben ist und manchmal an eine Schraube aus dem Baumarkt erinnert. Diese verschiedenen Formen treten bei unterschiedlichen Temperaturen und Luftfeuchtigkeiten auf, aber der Grund dafür war bisher ein Rätsel.

Im Laufe der Jahre haben Libbrechts akribische Beobachtungen Einblicke in den Schneekristallisationsprozess geliefert. “Er ist sicherlich der Papst auf diesem Gebiet”, sagte Gilles Demange, ein Materialwissenschaftler an der Universität Rouen in Frankreich, der sich ebenfalls mit Schneekristallen beschäftigt.

Jetzt hat sich Libbrechts Arbeit über Schnee in einem neuen Modell herauskristallisiert, das zu erklären versucht, warum sich Schneeflocken und andere Schneekristalle so bilden, wie sie es tun. Sein Modell, das er in einer im Oktober online gestellten Arbeit detailliert beschrieben hat, beschreibt den Tanz der Wassermoleküle in der Nähe des Gefrierpunkts und wie die besonderen Bewegungen dieser Moleküle die Vielfalt der Kristalle erklären können, die sich unter verschiedenen Bedingungen bilden. In einer separaten, 540-seitigen Monographie beschreibt Libbrecht den gesamten Wissensstand über Schneekristalle. Douglas Natelson, ein Physiker für kondensierte Materie an der Rice University, nannte die neue Monographie “eine Meisterleistung”

“Als Werk”, so Natelson, “ist sie großartig.”

Sechseckige Sternchen

Jeder weiß, dass keine zwei Schneeflocken gleich sind, eine Tatsache, die auf die Art und Weise zurückzuführen ist, wie die Kristalle am Himmel entstehen. Schnee ist eine Ansammlung von Eiskristallen, die sich in der Atmosphäre bilden und ihre Form beibehalten, wenn sie gemeinsam auf die Erde fallen. Sie bilden sich, wenn die Atmosphäre kalt genug ist, um zu verhindern, dass sie verschmelzen oder schmelzen und zu Graupel oder Regen werden.

Obwohl eine Wolke eine Vielzahl von Temperaturen und Feuchtigkeitsgraden enthält, sind diese Variablen bei einer einzelnen Schneeflocke so gut wie konstant. Deshalb ist das Schneeflockenwachstum oft symmetrisch. Andererseits wird jede Schneeflocke von wechselnden Winden, Sonnenlicht und anderen Variablen beeinflusst, erklärt Mary Jane Shultz, Chemikerin an der Tufts University, die kürzlich einen Aufsatz über die Physik der Schneeflocken veröffentlicht hat. Da sich jeder Kristall dem Chaos einer Wolke unterwirft, nehmen sie alle leicht unterschiedliche Formen an, erklärt sie.

Die frühesten Aufzeichnungen über diese zarten Formen stammen aus dem Jahr 135 v. Chr. in China, wie Libbrecht herausgefunden hat. “Blumen von Pflanzen und Bäumen sind im Allgemeinen fünfzackig, aber die des Schnees, die Ying genannt werden, sind immer sechszackig”, schrieb der Gelehrte Han Yin. Aber der erste Wissenschaftler, der zu verstehen versuchte, warum das so ist, war wahrscheinlich Johannes Kepler, der deutsche Wissenschaftler und Universalgelehrte.

Im Jahr 1611 machte Kepler seinem Gönner, dem römischen Kaiser Rudolf II. ein Neujahrsgeschenk: eine Abhandlung mit dem Titel “Die sechseckige Schneeflocke”. Kepler schreibt, dass er beim Überqueren der Prager Karlsbrücke eine Schneeflocke an seinem Revers bemerkte und über ihre Geometrie nachdenken musste. “Es muss einen Grund geben, warum der Schnee die Form eines sechseckigen Sternchens hat. Es kann kein Zufall sein”, schrieb er.

Er erinnerte sich an einen Brief seines Zeitgenossen Thomas Harriot, eines englischen Wissenschaftlers und Astronomen, der unter anderem als Navigator für den Entdecker Sir Walter Raleigh tätig war. Um 1584 suchte Harriot nach der effizientesten Methode, um Kanonenkugeln auf Raleighs Schiffsdecks zu stapeln. Sechseckige Muster schienen der beste Weg zu sein, um die Kugeln eng aneinander zu packen, fand Harriot, und er korrespondierte darüber mit Kepler. Kepler fragte sich, ob etwas Ähnliches in Schneeflocken stattfand und ob ihre sechs Seiten auf die Anordnung der “kleinsten natürlichen Einheit einer Flüssigkeit wie Wasser” zurückzuführen waren.”

Es war eine bemerkenswerte frühe Einsicht in die Atomphysik, eine, die erst 300 Jahre später formalisiert werden sollte. Tatsächlich neigen Wassermoleküle mit ihren zwei Wasserstoffatomen und einem Sauerstoffatom dazu, sich zu hexagonalen Anordnungen zusammenzuschließen. Kepler und seine Zeitgenossen konnten nicht wissen, wie wichtig das ist. “Wegen der Wasserstoffbrückenbindungen und der Details, wie die Moleküle miteinander interagieren, hat man diese vergleichsweise offene Kristallstruktur”, sagt Natelson. Diese sechseckige Struktur trägt nicht nur zur Bildung von Schneeflocken bei, sondern sorgt auch dafür, dass Eis eine geringere Dichte als flüssiges Wasser hat, was wiederum große Auswirkungen auf Geochemie, Geophysik und Klima hat. Wenn Eis nicht schwimmen würde, so Natelson, wäre “Leben auf der Erde nicht möglich”

Nach Keplers Abhandlung blieb die Beobachtung von Schneeflocken eher ein Hobby als eine Wissenschaft. In den 1880er Jahren begann ein amerikanischer Fotograf namens Wilson Bentley – aus dem kalten, schneereichen Dorf Jericho, Vermont – die ersten Schneekristallbilder mit Hilfe von Fotoplatten zu machen. Er fertigte mehr als 5.000 Bilder an, bevor er schließlich einer Lungenentzündung erlag.

Der japanische Forscher Ukichiro Nakaya begann in den 1930er Jahren mit einer systematischen Untersuchung der verschiedenen Schneekristalltypen. Mitte des Jahrhunderts stellte Nakaya im Labor Schneeflocken her, indem er einzelne Kaninchenhaare verwendete, um Frostkristalle in gekühlter Luft aufzuhängen, wo sie zu vollwertigen Schneeflocken heranwachsen konnten. Er experimentierte mit Feuchtigkeits- und Temperatureinstellungen, um die beiden Hauptkristalltypen zu züchten, und erstellte seinen bahnbrechenden Katalog der möglichen Formen. Nakaya fand heraus, dass sich Sterne eher bei -2 Grad Celsius und -15 Grad Celsius bilden. Die Säulen bilden sich bei -5 Grad Celsius und wieder bei etwa -30 Grad Celsius. Bei niedriger Luftfeuchtigkeit bilden die Sterne nur wenige Verzweigungen und ähneln sechseckigen Platten, aber bei hoher Luftfeuchtigkeit wachsen die Sterne mit komplizierteren, spitzenartigen Mustern.

Nach Nakayas Pionierarbeit begann sich auch der Grund für die verschiedenen Kristallformen herauszukristallisieren, so Libbrecht. Kristalle wachsen zu flachen Sternen und Platten (und nicht zu dreidimensionalen Strukturen), wenn die Kanten schnell nach außen wachsen, während die Flächen langsam nach oben wachsen. Schlanke Säulen wachsen auf andere Weise, mit schnell wachsenden Flächen und langsamer wachsenden Rändern.

Aber die zugrunde liegenden atomaren Prozesse, die bestimmen, ob Schneekristalle die Form von Sternen oder Säulen annehmen, blieben undurchsichtig. “Was ändert sich mit der Temperatur?” sagte Libbrecht. “

Schneeflockenrezept

Libbrecht und die kleine Gruppe von Forschern, die sich mit diesem Problem befassen, haben versucht, ein Schneeflockenrezept zu entwickeln – eine Reihe von Gleichungen und Parametern, die in einen Supercomputer eingegeben werden können, der dann die herrliche Vielfalt von Schneeflocken ausspuckt, die wir tatsächlich sehen.

Libbrecht nahm diese Aufgabe vor zwei Jahrzehnten auf, nachdem er von der exotischen Schneeflockenform, der so genannten Kappensäule, erfahren hatte. Sie sieht aus wie eine leere Spule oder zwei Räder und eine Achse. Als gebürtiger Norddakotaer war er schockiert und fragte sich: “Wieso habe ich so etwas noch nie gesehen?” Fasziniert von den endlosen Formen des Schnees machte er sich daran, ihre Natur für ein populärwissenschaftliches Buch zu verstehen, das er später veröffentlichte, und er begann auch zu fotografieren. Schon bald bastelte er in seinem Labor an Geräten, mit denen sich Schneeflocken züchten lassen. Sein neues Modell ist das Ergebnis jahrzehntelanger Beobachtungen, die, wie er sagt, vor kurzem zu gelieren begannen.

Sein entscheidender Durchbruch war eine Idee namens oberflächenenergiegetriebene molekulare Diffusion, die beschreibt, wie das Wachstum eines Schneekristalls von den Ausgangsbedingungen und dem Verhalten der Moleküle abhängt, die ihn bilden.

Stellen Sie sich Wassermoleküle in lockerer Anordnung vor, wenn der Wasserdampf gerade zu gefrieren beginnt. Wenn Sie dies von einem winzigen Observatorium aus beobachten würden, könnten Sie sehen, wie die gefrierenden Wassermoleküle beginnen, ein starres Gitter zu bilden, bei dem jedes Sauerstoffatom von vier Wasserstoffatomen umgeben ist. Diese Kristalle wachsen, indem sie Wassermoleküle aus der umgebenden Luft in ihr Muster einbauen. Sie können in zwei Hauptrichtungen wachsen: nach oben oder nach außen.

Ein dünner, flacher Kristall (entweder plattenförmig oder sternförmig) bildet sich, wenn die Ränder schneller Material aufnehmen als die beiden Seiten des Kristalls. Der aufkeimende Kristall breitet sich nach außen aus. Wenn jedoch die Flächen schneller wachsen als die Kanten, wächst der Kristall in die Höhe und bildet eine Nadel, eine hohle Säule oder einen Stab.

Nach Libbrechts Modell setzt sich der Wasserdampf zunächst an den Ecken des Kristalls ab und diffundiert dann über die Oberfläche entweder zum Rand oder zu den Flächen des Kristalls, wodurch der Kristall nach außen bzw. nach oben wächst. Welcher dieser Prozesse durch das Zusammenspiel verschiedener Oberflächeneffekte und Instabilitäten gewinnt, hängt vor allem von der Temperatur ab.

All dies geschieht nur in Eis, einem ungewöhnlichen Mineral, aufgrund eines Phänomens, das “Vorschmelzen” genannt wird. Da Wassereis normalerweise nahe seinem Schmelzpunkt vorkommt, sind die obersten Schichten flüssigkeitsähnlich und ungeordnet. Das Vorschmelzen erfolgt auf den Flächen und an den Rändern in Abhängigkeit von der Temperatur unterschiedlich, wobei die Einzelheiten dieses Vorgangs noch nicht vollständig geklärt sind. “Das ist der Teil des Modells, den ich mir nur ausgedacht habe”, sagte Libbrecht – obwohl er sagt, dass das physikalische Gesamtbild plausibel erscheint.

Sein neues Modell ist “halb-empirisch”, d.h. es ist teilweise auf die Beobachtungen abgestimmt und erklärt das Schneeflockenwachstum nicht vollständig aus den ersten Prinzipien heraus. Die Instabilitäten und die Wechselwirkungen zwischen den unzähligen Molekülen sind zu kompliziert, um sie vollständig zu entschlüsseln. Aber er hofft, dass seine Ideen die Grundlage für ein umfassendes Modell der Eiswachstumsdynamik bilden werden, das durch detailliertere Messungen und Experimente ergänzt werden kann.

Auch wenn Eis besonders seltsam ist, stellen sich ähnliche Fragen in der Physik der kondensierten Materie im Allgemeinen. Medikamentenmoleküle, Halbleiterchips für Computer, Solarzellen und zahllose andere Anwendungen sind auf hochwertige Kristalle angewiesen, und ganze Forschergruppen beschäftigen sich mit den Grundlagen des Kristallwachstums.

Meenesh Singh ist einer dieser Forscher an der University of Illinois, Chicago. In einer kürzlich erschienenen Arbeit haben Singh und ein Mitautor einen neuen Mechanismus identifiziert, der dem Kristallwachstum in Lösungsmitteln zugrunde liegen könnte, im Gegensatz zur Phasenwechselkristallisation von Libbrechts Schnee und Eis. Bei der Lösungsmittelkristallisation werden feste Stoffe in einer Lösung wie Wasser oder einer anderen Flüssigkeit aufgelöst. Durch Veränderung der Temperatur und Zugabe anderer Lösungsmittel können Hersteller neue Arzneimittelmoleküle kristallisieren oder neue Kristalle für Solarzellen herstellen usw.

“Alle Anwendungen im Zusammenhang mit dem Kristallwachstum werden empirisch behandelt”, so Singh. “Man hat bestimmte empirische Daten, und mit diesen Informationen versucht man zu erklären, wie ein Kristall wachsen würde.” Es sei aber nicht klar, wie sich ein Molekül in der Lösung in einen Kristall integriert. “Was treibt ein Molekül wirklich dazu an? Warum sollte ich in einen Kristall gehen?

Libbrecht glaubt, dass bessere Experimente und ausgefeiltere Computersimulationen in den kommenden Jahren viele Fragen zum Kristallwachstum beantworten werden. “Eines Tages wird man in der Lage sein, ein ganzes Molekülmodell bis hin zum Atom zu erstellen und diese Phänomene bis hin zur Quantenmechanik zu beobachten”, sagt er.

Während er versucht, die Physik zu entschlüsseln, genießt er immer noch die Schneekristallfotografie und die damit verbundenen Reisen. Aber in letzter Zeit ist er im sonnigen Südkalifornien geblieben, wo er ein ausgeklügeltes System zur Züchtung von Schneeflocken in seinem Labor aufgebaut hat. Mit 61 Jahren steht er kurz vor der Pensionierung, was bedeutet, dass er sagt: “Ich werfe die Fesseln meiner anderen Jobs ab.

Der Originalartikel wurde mit Genehmigung des Quanta Magazine nachgedruckt, einer redaktionell unabhängigen Publikation der Simons Foundation, deren Ziel es ist, das öffentliche Verständnis der Wissenschaft durch die Berichterstattung über Forschungsentwicklungen und -trends in den Bereichen Mathematik, Physik und Biowissenschaften zu verbessern.

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