Kenneth Libbrecht az a ritka ember, aki a tél közepén vidáman elhagyja Dél-Kaliforniát és olyan helyre utazik, mint az alaszkai Fairbanks, ahol a téli hőmérséklet ritkán emelkedik fagypont fölé. Ott felvesz egy parkát, és egy fényképezőgéppel és egy darab habkartonnal ül egy mezőn, és várja a havat.

Kifejezetten a legszikrázóbb, legélesebb, legszebb hókristályokat keresi, amelyeket a természet produkálni tud. A kiváló pelyhek általában a leghűvösebb helyeken képződnek, mondja, mint Fairbanks és a havas New York északi részén. A legjobb havat a távoli Ontario északkeleti részén fekvő Cochrane-ben találta, ahol kevés szél veri szét a hópelyheket, ahogy azok az égbe hullnak.

Az elemek közé zárkózva Libbrecht egy régész türelmével fürkészi a tábláját, tökéletes hópelyheket és más hókristályokat keresve. “Ha van ott egy igazán szép, a szemed megtalálja” – mondta. “Ha nem, akkor csak lesöpröd, és ezt csinálod órákig.”

Libbrecht fizikus. Laboratóriuma a Kaliforniai Technológiai Intézetben a Nap belső szerkezetét vizsgálta, és fejlett műszereket fejlesztett ki a gravitációs hullámok észlelésére. De Libbrecht szenvedélye 20 éve a hó – nemcsak a megjelenése, hanem az is, hogy mitől néz ki úgy, ahogyan kinéz. “Kicsit kínos, amikor leesik valami az égből, és az ember azt kérdezi: ‘Miért néz ki így? Nem értem'” – mondta.”

A fizikusok 75 éve tudják, hogy a hóban lévő apró kristályok két uralkodó típusba sorolhatók. Az egyik az ikonikus lapos csillag, hat vagy 12 ponttal, amelyek mindegyikét a lehetőségek szédítő sokaságában megfelelő csipkeágak díszítik. A másik egy oszlop, amelyet néha lapos sapkák szendvicseznek, néha pedig egy barkácsboltból származó csavarra hasonlít. Ezek a különböző formák különböző hőmérsékleten és páratartalom mellett fordulnak elő, de ennek oka eddig rejtély volt.

Az évek során Libbrecht aprólékos megfigyelései révén betekintést nyert a hó kristályosodási folyamatába. “Ő bizonyára a pápa ezen a területen” – mondta Gilles Demange, a franciaországi Roueni Egyetem anyagtudósa, aki szintén a hókristályokkal foglalkozik.

Most Libbrecht hóval kapcsolatos munkája egy új modellben kristályosodott ki, amely megpróbálja megmagyarázni, miért alakulnak ki úgy a hópelyhek és más hókristályok, ahogyan kialakulnak. Az októberben online közzétett tanulmányában részletezett modellje leírja a vízmolekulák táncát a fagyáspont közelében, és azt, hogy e molekulák sajátos mozgása hogyan magyarázza a különböző körülmények között kialakuló kristályok sokaságát. Libbrecht egy különálló, 540 oldalas monográfiában ismerteti a hókristályokkal kapcsolatos teljes ismeretanyagot. Douglas Natelson, a Rice Egyetem kondenzált anyagokkal foglalkozó fizikusa az új monográfiát “erőműnek” nevezte.”

“Mint mű”, mondta Natelson, “fiam, ez gyönyörű.”

Six-Cornered Starlets

Mindenki tudja, hogy nincs két egyforma hópehely, ami abból ered, ahogy a kristályok az égen megfőnek. A hó jégkristályok halmaza, amelyek a légkörben alakulnak ki, és megtartják alakjukat, amikor együttesen a Földre hullanak. Akkor alakulnak ki, amikor a légkör elég hideg ahhoz, hogy megakadályozza, hogy összeolvadjanak vagy megolvadjanak, és jégesővé vagy esővé váljanak.

Bár egy felhőben a hőmérséklet és a páratartalom sokféle lehet, ezek a változók egy-egy hópehely esetében szinte állandóak. Ezért van az, hogy a hópelyhek növekedése gyakran szimmetrikus. Másrészt minden egyes hópihét a változó szél, a napfény és más változók megzavarnak – jegyzi meg Mary Jane Shultz, a Tufts Egyetem kémikusa, aki nemrég publikált egy esszét a hópelyhek fizikájáról. Ahogy minden egyes kristály aláveti magát a felhő káoszának, mindegyik kissé eltérő formát vesz fel – magyarázza.”

Libbrecht kutatásai szerint a legkorábbi feljegyzett elmélkedések e finom formákról i. e. 135-ből származnak Kínában. “A növények és fák virágai általában ötágúak, de a hó virágai, amelyeket yingnek neveznek, mindig hatágúak” – írta a tudós Han Yin. De az első tudós, aki megpróbálta megérteni, miért történik ez, valószínűleg Johannes Kepler, a német tudós és polihisztor volt.

1611-ben Kepler újévi ajándékot ajánlott fel pártfogójának, II. Rudolf szent római császárnak: egy “A hatágú hópehely” című esszét. Kepler azt írja, hogy a prágai Károly hídon áthaladva észrevett egy hópelyhet a hajtókáján, és nem tudott nem elmélkedni annak geometriáján. “Biztos van valami oka annak, hogy a hónak miért van hatszögletű csillagocska alakja. Nem lehet véletlen” – írta.”

Emlékezhetett kortársa, Thomas Harriot angol tudós és csillagász levelére, aki sok más szerep mellett Sir Walter Raleigh felfedező navigátoraként szolgált. Harriot 1584 körül azt kereste, hogyan lehetne a leghatékonyabban ágyúgolyókat rakosgatni Raleigh hajóinak fedélzetén. Harriot úgy találta, hogy a hatszög alakú minták tűntek a legjobb módszernek a gömbök szoros egymás mellé pakolására, és erről levelezett Keplerrel. Kepler azon tűnődött, hogy vajon a hópelyhekben is valami hasonló zajlik-e, és hogy hat oldaluk elrendezése “egy olyan folyadék, mint a víz legkisebb természetes egységének” elrendezésére vezethető-e vissza.”

Ez egy figyelemre méltó korai felismerés volt az atomfizikában, amelyet még 300 évig nem sikerült formalizálni. A két hidrogénnel és egy oxigénnel rendelkező vízmolekulák valóban hajlamosak egymáshoz kapcsolódni, és hatszögletű tömböket alkotni. Kepler és kortársai nem tudhatták, hogy ez mennyire fontos. “A hidrogénkötés és a molekulák egymással való kölcsönhatásának részletei miatt van ez a viszonylag nyitott kristályszerkezet” – mondta Natelson. Amellett, hogy segíti a hópelyhek növekedését, ez a hexagonális szerkezet a jeget kevésbé sűrűvé teszi, mint a folyékony vizet, ami óriási hatással van a geokémiára, a geofizikára és az éghajlatra. Natelson szerint, ha a jég nem lebegne, “az élet a Földön nem lenne lehetséges.”

Kepler értekezése után a hópelyhek megfigyelése inkább hobbi maradt, mint tudomány. Az 1880-as években egy Wilson Bentley nevű amerikai fotós – a hideg, minőségi havat termelő vermonti Jericho faluból – kezdte el az első hókristályképek készítését fotólemezek segítségével. Több mint 5000 képet készített, mielőtt végül tüdőgyulladásban elhunyt.

Az 1930-as években Ukichiro Nakaya japán kutató a különböző hókristály-típusok szisztematikus tanulmányozásába kezdett. A század közepére Nakaya már hópelyheket állított elő laboratóriumban, egyes nyúlszőrök segítségével fagykristályokat függesztett fel hűtött levegőben, ahol azok kifejlett hópelyhekké fejlődhettek. A két fő kristálytípus növesztéséhez a páratartalom és a hőmérséklet beállításával kísérletezett, és összeállította a lehetséges formák alapvető katalógusát. Nakaya megállapította, hogy a csillagok inkább -2 Celsius-fokon és -15 C-on alakulnak ki, az oszlopok -5 C-on és ismét körülbelül -30 C-on. Alacsony páratartalomban a csillagok kevés elágazást képeznek és hatszögletű lemezekre hasonlítanak, de magas páratartalomban a csillagok bonyolultabb, csipkésebb mintákat növesztenek.

Libbrecht szerint a különböző kristályformák oka is Nakaya úttörő munkája után kezdett megvilágosodni. A kristályok akkor nőnek lapos csillagokká és lemezekké (és nem háromdimenziós struktúrákká), ha az élek gyorsan nőnek kifelé, míg az oldalak lassan nőnek felfelé. A karcsú oszlopok másképp nőnek, gyorsan növekvő oldalakkal és lassabban növekvő élekkel.

A mögöttes atomi folyamatok azonban, amelyek meghatározzák, hogy a hókristályok csillag vagy oszlop alakúak lesznek-e, átláthatatlanok maradtak. “Mi változik a hőmérséklettel?” Libbrecht mondta. “Mindezt próbáltam összerakni.”

Hópehelyrecept

Libbrecht és a kutatók nagyon kis csoportja, akik ezt a problémát tanulmányozzák, megpróbáltak előállni egy hópehelyrecepttel – olyan egyenletek és paraméterek sorával, amelyeket be lehet táplálni egy szuperszámítógépbe, amely aztán kiköpné a ténylegesen látható hópelyhek pompás változatosságát.

Libbrecht két évtizeddel ezelőtt kezdett bele ebbe a kutatásba, miután megismerte az egzotikus hópehelyformát, az úgynevezett fedeles oszlopot. Úgy néz ki, mint egy üres orsó, vagy két kerék és egy tengely. Észak-dakotai születésűként megdöbbent, és azon tűnődött: “Hogyhogy még sosem láttam ilyet?”. Lenyűgözve a hó végtelen formáitól, nekilátott, hogy megértse természetüket egy később kiadott népszerű tudományos könyvéhez, és elkezdett fotózni is. Hamarosan már hópehelytermelő berendezéseket bütykölt a laboratóriumában. Új modellje több évtizedes megfigyelések eredménye, amelyekről azt mondja, hogy nemrég kezdtek összeállni.

A legfontosabb áttörést a felületenergia által vezérelt molekuláris diffúziónak nevezett elképzelése jelentette, amely leírja, hogy a hókristályok növekedése hogyan függ a kezdeti körülményektől és az azokat alkotó molekulák viselkedésétől.

Képzeljük el a vízmolekulákat lazán elrendezve, amint a vízgőz éppen csak elkezd megfagyni. Ha ezt valahogy egy apró csillagvizsgálóból szemlélnéd, azt látnád, hogy a megfagyó vízmolekulák merev rácsot kezdenek alkotni, ahol minden egyes oxigénatomot négy hidrogénatom vesz körül. Ezek a kristályok úgy nőnek, hogy a környező levegőből származó vízmolekulákat beépítik a mintázatukba. Két fő irányban nőhetnek: felfelé vagy kifelé.

Vékony, lapos kristály (akár lemezszerű, akár csillagszerű) alakul ki, amikor a szélek gyorsabban kötnek be anyagot, mint a kristály két oldala. A burjánzó kristály kifelé terjed. Ha azonban az arcai gyorsabban nőnek, mint az élei, a kristály magasabbra nő, tűs, üreges oszlopot vagy rudat alkotva.

Libbrecht modellje szerint a vízgőz először a kristály sarkain telepszik meg, majd a felszínen át vagy a kristály élei, vagy az arcai felé diffundál, ami a kristály kifelé, illetve felfelé növekedését okozza. Az, hogy a különböző felületi hatások és instabilitások kölcsönhatásaként melyik folyamat nyer, leginkább a hőmérséklettől függ.

Mindez csak a jégben, egy szokatlan ásványban történik, az úgynevezett “előolvadás” jelensége miatt. Mivel a vízjég általában az olvadáspontja közelében található, a legfelső néhány réteg folyékony és rendezetlen. Az előolvadás a hőmérséklet függvényében másképp megy végbe az oldalakon és a széleken, bár ennek részletei még nem teljesen tisztázottak. “Ez az a része a modellnek, ahol csak kitalálom az egészet” – mondta Libbrecht – bár szerinte az általános fizikai kép hihetőnek tűnik.”

Az új modellje “félig empirikus”, részben a megfigyelésekhez hangolt, ahelyett, hogy teljesen az első elvekből kiindulva magyarázná a hópelyhek növekedését. Az instabilitások és a számtalan molekula közötti kölcsönhatások túl bonyolultak ahhoz, hogy teljesen felfejtsük őket. De reméli, hogy elképzelései a jég növekedési dinamikájának átfogó modelljének alapját képezik majd, amelyet részletesebb mérésekkel és kísérletekkel lehet majd kiegészíteni.

A jég ugyan különösen furcsa, de hasonló kérdések általában véve is felmerülnek a kondenzált anyag fizikájában. Gyógyszermolekulák, számítógépek félvezető chipjei, napelemek és számtalan más alkalmazás támaszkodik a jó minőségű kristályokra, és egész kutatócsoportok foglalkoznak a kristálynövekedés alapjaival.

Meenesh Singh az egyik ilyen kutató, az Illinois-i Egyetemen, Chicagóban. Egy nemrégiben megjelent tanulmányában Singh és egy társszerzője egy új mechanizmust azonosított, amely az oldószerekben történő kristálynövekedés hátterében állhat, szemben a Libbrecht-féle hó és jég fázisváltásos kristályosodásával. Az oldószeres kristályosítás során a szilárd anyagokat egy oldatban, például vízben vagy más folyadékban oldják fel. A hőmérséklet beállításával és más oldószerek hozzáadásával a gyártók új gyógyszermolekulákat kristályosíthatnak, vagy új kristályokat állíthatnak elő a napelemekhez, és így tovább.

“A kristálynövekedéssel kapcsolatos összes alkalmazással empirikusan foglalkoznak” – mondta Singh. “Bizonyos empirikus adatokkal rendelkezünk, és ezeket az információkat felhasználva próbáljuk megmagyarázni, hogyan nőne egy kristály”. De szerinte nem világos, hogy az oldatban lévő molekula hogyan épül be egy kristályba. “Valójában mi készteti erre a molekulát? Miért menne át egy kristályba? Ha elkezdünk töprengeni, az rengeteg kérdést vet fel, és ezekre a kérdésekre nincs válasz.”

Libbrecht úgy véli, hogy a jobb kísérletek és a kifinomultabb számítógépes szimulációk az elkövetkező években sok kérdést megválaszolnak majd a kristálynövekedéssel kapcsolatban. “Egy nap képesek leszünk egy teljes molekulamodellt készíteni egészen az atomig, és látni fogjuk ezeket a jelenségeket, egészen a kvantummechanikáig” – mondta.”

Míg a fizika megfejtésén fáradozik, továbbra is élvezi a hókristályfotózást és a vele járó utazásokat. Mostanában azonban a napsütötte Dél-Kaliforniában maradt, ahol egy kifinomult rendszert épített fel a hópelyhek termesztésére a laboratóriumában. 61 évesen közeledik a nyugdíjhoz, ami azt jelenti – mint mondta -, hogy “eldobom a többi munkám béklyóit. Mostantól csak jéggel fogok foglalkozni.”

Az eredeti cikket a Quanta Magazine engedélyével nyomtattuk újra, amely a Simons Alapítvány szerkesztőségileg független kiadványa, és amelynek küldetése, hogy a matematika, valamint a fizikai és élettudományok kutatási fejleményeinek és trendjeinek ismertetésével elősegítse a tudomány közérthetőségét.

Még több nagyszerű WIRED sztori

• Hol csap le először az 5G adatvihar
• Hogyan tanultuk meg szeretni a STEM pedagógiai gőzét
• Mi az 5,700 éves rágógumi árulkodik a rágójáról
• Ismerd meg az aktivistákat, akik börtönt kockáztatnak azért, hogy VR-t forgassanak a gyári farmokon
• Jegyezd le a gondolataidat ezekkel a nagyszerű jegyzetelő alkalmazásokkal
• 👁 Az AI mint szakterület hamarosan “falnak ütközik”? Plusz a legfrissebb hírek a mesterséges intelligenciáról
• 💻 Frissítsd a munkádat Gear csapatunk kedvenc laptopjaival, billentyűzeteivel, gépelési alternatíváival és zajszűrő fejhallgatóival