Kenneth Libbrecht è quella rara persona che, in pieno inverno, lascia allegramente la California meridionale per un posto come Fairbanks, Alaska, dove le temperature invernali raramente salgono sopra lo zero. Lì, indossa un parka e si siede in un campo con una macchina fotografica e un pezzo di cartone espanso, in attesa della neve.

In particolare, egli cerca i cristalli di neve più brillanti, nitidi e belli che la natura possa produrre. Fiocchi di qualità superiore tendono a formarsi nei luoghi più freddi, dice, come Fairbanks e l’innevato stato di New York. La migliore neve che abbia mai trovato è stata a Cochrane, nel remoto nord-est dell’Ontario, dove c’è poco vento per battere i fiocchi di neve mentre cadono nel cielo.

Inserito negli elementi, Libbrecht scruta la sua tavola con la pazienza di un archeologo, alla ricerca di fiocchi di neve perfetti e altri cristalli di neve. “Se ce n’è uno davvero bello, il tuo occhio lo troverà”, ha detto. “Se non c’è, lo spazzoli via, e lo fai per ore.”

Libbrecht è un fisico. Il suo laboratorio al California Institute of Technology ha studiato la struttura interna del sole e sviluppato strumenti avanzati per il rilevamento delle onde gravitazionali. Ma per 20 anni, la passione di Libbrecht è stata la neve – non solo il suo aspetto, ma anche ciò che la fa sembrare così. È un po’ imbarazzante quando la neve cade dal cielo e ci si chiede: “Perché ha quell’aspetto? Non lo so”, ha detto.

Per 75 anni, i fisici hanno saputo che i piccoli cristalli di neve rientrano in due tipi prevalenti. Uno è l’iconica stella piatta, con sei o 12 punte, ognuna decorata con rami di pizzo corrispondenti in una gamma vertiginosa di possibilità. L’altro è una colonna, a volte intramezzata da tappi piatti e a volte somigliante a un bullone di un negozio di ferramenta. Queste diverse forme si verificano a diverse temperature e umidità, ma la ragione di ciò è stata un mistero.

Nel corso degli anni, le minuziose osservazioni di Libbrecht hanno prodotto intuizioni sul processo di cristallizzazione della neve. “È sicuramente il papa in questo campo”, ha detto Gilles Demange, uno scienziato dei materiali all’Università di Rouen in Francia che studia anche i cristalli di neve.

Ora, il lavoro di Libbrecht sulla neve si è cristallizzato in un nuovo modello che cerca di spiegare perché i fiocchi di neve e altri cristalli di neve si formano in questo modo. Il suo modello, dettagliato in un documento che ha pubblicato online in ottobre, descrive la danza delle molecole d’acqua vicino al punto di congelamento e come i movimenti particolari di queste molecole possono spiegare la panoplia di cristalli che si formano in condizioni diverse. In una monografia separata di 540 pagine, Libbrecht descrive l’intero corpo di conoscenze sui cristalli di neve. Douglas Natelson, un fisico della materia condensata alla Rice University, ha definito la nuova monografia “un tour de force”

“Come opera”, ha detto Natelson, “ragazzo, è stupenda”

Six-Cornered Starlets

Tutti sanno che non ci sono due fiocchi di neve uguali, un fatto che deriva dal modo in cui i cristalli si cuociono nel cielo. La neve è un ammasso di cristalli di ghiaccio che si formano nell’atmosfera e mantengono la loro forma mentre cadono collettivamente sulla Terra. Si formano quando l’atmosfera è abbastanza fredda da impedire loro di fondersi o sciogliersi e diventare nevischio o pioggia.

Anche se una nuvola contiene una moltitudine di temperature e livelli di umidità, queste variabili sono praticamente costanti in un singolo fiocco di neve. Questo è il motivo per cui la crescita dei fiocchi di neve è spesso simmetrica. D’altra parte, ogni fiocco di neve è sballottato da venti mutevoli, luce solare e altre variabili, nota Mary Jane Shultz, una chimica della Tufts University che ha pubblicato un recente saggio sulla fisica dei fiocchi di neve. Come ogni cristallo si sottopone al caos di una nuvola, tutti assumono forme leggermente diverse, spiega.

Le prime riflessioni registrate su queste forme delicate risalgono al 135 a.C. in Cina, secondo la ricerca di Libbrecht. “I fiori delle piante e degli alberi sono generalmente a cinque punte, ma quelli della neve, che sono chiamati ying, sono sempre a sei punte”, ha scritto lo studioso Han Yin. Ma il primo scienziato a cercare di capire perché questo accade fu probabilmente Johannes Kepler, lo scienziato e polimata tedesco.

Nel 1611, Kepler offrì un regalo di Capodanno al suo patrono, il Sacro Romano Imperatore Rodolfo II: un saggio intitolato “Il fiocco di neve a sei punte”. Keplero scrive di aver notato un fiocco di neve sul bavero mentre attraversava il Ponte Carlo di Praga e non poteva fare a meno di riflettere sulla sua geometria. “Ci deve essere una causa per cui la neve ha la forma di una stellina a sei angoli. Non può essere il caso”, scrisse.

Avrebbe ricordato una lettera del suo contemporaneo Thomas Harriot, uno scienziato e astronomo inglese che, tra i tanti ruoli, servì come navigatore per l’esploratore Sir Walter Raleigh. Intorno al 1584, Harriot cercò il modo più efficiente per impilare palle di cannone sui ponti delle navi di Raleigh. I modelli esagonali sembravano il modo migliore per imballare le sfere strettamente insieme, Harriot ha trovato, e ha corrisposto su di esso con Keplero. Keplero si chiese se qualcosa di simile avvenisse nei fiocchi di neve, e se i loro sei lati potessero essere appuntati sulla disposizione della “più piccola unità naturale di un liquido come l’acqua.”

È stata una notevole intuizione iniziale nella fisica atomica, che non sarebbe stata formalizzata per altri 300 anni. Infatti, le molecole d’acqua, con i loro due idrogeni e un ossigeno, tendono a chiudersi insieme per formare matrici esagonali. Keplero e i suoi contemporanei non potevano sapere quanto questo fosse importante. “A causa del legame idrogeno e dei dettagli di come le molecole interagiscono tra loro, si ha questa struttura cristallina relativamente aperta”, ha detto Natelson. Oltre a far crescere i fiocchi di neve, questa struttura esagonale rende il ghiaccio meno denso dell’acqua liquida, il che influenza enormemente la geochimica, la geofisica e il clima. Secondo Natelson, se il ghiaccio non galleggiasse, “la vita sulla Terra non sarebbe possibile.”

Dopo il trattato di Keplero, l’osservazione dei fiocchi di neve è rimasta un hobby più che una scienza. Negli anni 1880, un fotografo americano di nome Wilson Bentley – dal freddo villaggio produttore di neve di qualità di Jericho, Vermont – iniziò a realizzare le prime immagini di cristalli di neve utilizzando lastre fotografiche. Ha prodotto più di 5.000 immagini prima di morire di polmonite.

Poi, negli anni 30, il ricercatore giapponese Ukichiro Nakaya iniziò uno studio sistematico dei diversi tipi di cristalli di neve. Verso la metà del secolo, Nakaya stava producendo fiocchi di neve in laboratorio, usando peli di coniglio individuali per sospendere i cristalli di ghiaccio in aria refrigerata dove potevano crescere in fiocchi di neve veri e propri. Ha armeggiato con le impostazioni di umidità e temperatura per far crescere i due principali tipi di cristallo e ha assemblato il suo catalogo seminale di forme possibili. Nakaya scoprì che le stelle tendono a formarsi a -2 gradi Celsius e -15 C. Le colonne si formano a -5 C e di nuovo a circa -30 C. In bassa umidità, le stelle formano poche ramificazioni e assomigliano a piatti esagonali, ma in alta umidità, le stelle crescono più intricate, disegni a pizzo.

Secondo Libbrecht, anche la ragione delle varie forme di cristallo ha iniziato a venire a fuoco dopo il lavoro pionieristico di Nakaya. I cristalli crescono in stelle e piastre piatte (piuttosto che in strutture tridimensionali) quando i bordi crescono rapidamente verso l’esterno mentre le facce crescono lentamente verso l’alto. Le colonne sottili crescono in modo diverso, con facce che crescono velocemente e bordi che crescono più lentamente.

Ma i processi atomici sottostanti che dettano se i cristalli di neve avranno la forma di stelle o colonne sono rimasti opachi. “Cosa cambia con la temperatura?” Ha detto Libbrecht. “

Ricetta del fiocco di neve

Libbrecht e il piccolo gruppo di ricercatori che studiano questo problema hanno cercato di trovare una ricetta del fiocco di neve, per così dire – una serie di equazioni e parametri che possono essere inseriti in un supercomputer che poi sputa fuori la splendida varietà di fiocchi di neve che effettivamente vediamo.

Libbrecht ha intrapreso la ricerca due decenni fa dopo aver appreso la forma esotica di un fiocco di neve chiamato colonna tappata. Sembra una bobina vuota, o due ruote e un asse. Come nativo del Nord Dakota, è rimasto scioccato, chiedendosi: “Come ho fatto a non vederne mai uno? Affascinato dalle infinite forme di neve, si mise a capire la loro natura per un libro di scienze popolari che poi pubblicò, e cominciò anche a scattare fotografie. Presto, stava armeggiando con attrezzature per la crescita dei fiocchi di neve nel suo laboratorio. Il suo nuovo modello è il risultato di osservazioni fatte nel corso di decenni che, a suo dire, hanno cominciato recentemente a gelare.

La sua scoperta chiave è stata un’idea chiamata diffusione molecolare guidata dall’energia di superficie, che descrive come la crescita di un cristallo di neve dipende dalle condizioni iniziali e dal comportamento delle molecole che lo formano.

Immaginate le molecole d’acqua disposte in modo sciolto, mentre il vapore acqueo inizia a congelare. Se lo vedeste in qualche modo da un piccolo osservatorio, vedreste le molecole d’acqua congelate iniziare a formare un reticolo rigido, con ogni atomo di ossigeno circondato da quattro atomi di idrogeno. Questi cristalli crescono incorporando le molecole d’acqua dell’aria circostante nel loro schema. Possono crescere in due direzioni principali: verso l’alto o verso l’esterno.

Un cristallo sottile e piatto (a forma di lastra o di stella) si forma quando i bordi si avvolgono di materiale più rapidamente delle due facce del cristallo. Il cristallo nascente si diffonderà verso l’esterno. Tuttavia, quando le sue facce crescono più velocemente dei suoi bordi, il cristallo diventa più alto, formando un ago, una colonna cava o un’asta.

Secondo il modello di Libbrecht, il vapore acqueo si deposita prima sugli angoli del cristallo, poi si diffonde sulla superficie o verso il bordo del cristallo o verso le sue facce, facendo crescere il cristallo verso l’esterno o verso l’alto, rispettivamente. Quale di questi processi vince come vari effetti di superficie e instabilità interagiscono dipende principalmente dalla temperatura.

Tutto questo accade solo nel ghiaccio, un minerale insolito, a causa di un fenomeno chiamato “pre-fusione”. Poiché il ghiaccio d’acqua si trova di solito vicino al suo punto di fusione, gli strati superiori sono liquidi e disordinati. La pre-fusione avviene in modo diverso sulle facce e sui bordi in funzione della temperatura, anche se i dettagli di questo non sono completamente compresi. “Questa è la parte del modello in cui mi limito a inventare tutto,” ha detto Libbrecht – anche se dice che il quadro fisico generale sembra plausibile.

Il suo nuovo modello è “semi-empirico”, in parte messo a punto per corrispondere alle osservazioni piuttosto che spiegare la crescita dei fiocchi di neve partendo interamente dai primi principi. Le instabilità e le interazioni tra innumerevoli molecole sono troppo complicate da svelare completamente. Ma lui spera che le sue idee formeranno la base di un modello completo delle dinamiche di crescita del ghiaccio che potrà essere completato da misurazioni ed esperimenti più dettagliati.

Anche se il ghiaccio è particolarmente strano, questioni simili sorgono nella fisica della materia condensata più in generale. Le molecole dei farmaci, i chip semiconduttori per i computer, le celle solari e innumerevoli altre applicazioni si basano su cristalli di alta qualità, e interi gruppi di ricercatori si concentrano sulle basi della crescita dei cristalli.

Meenesh Singh è uno di questi ricercatori, alla University of Illinois, Chicago. In un recente articolo, Singh e un coautore hanno identificato un nuovo meccanismo che potrebbe essere alla base della crescita dei cristalli nei solventi, al contrario della cristallizzazione a cambiamento di fase della neve e del ghiaccio di Libbrecht. Nella cristallizzazione in solvente, i materiali solidi sono dissolti in una soluzione come l’acqua o un altro liquido. Modificando la temperatura e aggiungendo altri solventi, i produttori possono cristallizzare nuove molecole di farmaci o produrre nuovi cristalli per celle solari, e così via.

“Tutte le applicazioni riguardanti la crescita dei cristalli sono trattate empiricamente”, ha detto Singh. “Si hanno certi dati empirici, e usando queste informazioni, si cerca di spiegare come crescerebbe un cristallo”. Ma non è chiaro, ha detto, come una molecola in soluzione si integra in un cristallo. “Cosa spinge davvero una molecola a farlo? Perché dovrebbe andare in un cristallo? Se si inizia a chiederselo, si creano un sacco di domande, e queste domande non vengono affrontate.”

Libbrecht crede che esperimenti migliori e simulazioni al computer più sofisticate risponderanno a molte domande sulla crescita dei cristalli nei prossimi anni. “Un giorno, si sarà in grado di creare un intero modello molecolare fino all’atomo e vedere questi fenomeni in corso, fino alla meccanica quantistica”, ha detto.

Mentre cerca di svelare la fisica, si diverte ancora a fotografare i cristalli di neve e i viaggi che ne conseguono. Ma ultimamente, è rimasto fermo nella soleggiata California del Sud, dove ha allestito un sofisticato sistema per far crescere i fiocchi di neve nel suo laboratorio. A 61 anni, è vicino alla pensione, il che significa, ha detto, “Sto gettando via le catene dei miei altri lavori. D’ora in poi mi dedicherò solo al ghiaccio.”

Storia originale ristampata con il permesso di Quanta Magazine, una pubblicazione editoriale indipendente della Simons Foundation la cui missione è di migliorare la comprensione pubblica della scienza coprendo gli sviluppi e le tendenze della ricerca in matematica e nelle scienze fisiche e della vita.

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