Kenneth Libbrecht es esa rara persona que, en pleno invierno, abandona alegremente el sur de California para dirigirse a un lugar como Fairbanks, Alaska, donde las temperaturas invernales rara vez superan el punto de congelación. Allí, se pone una parka y se sienta en un campo con una cámara y un trozo de cartón pluma, a la espera de la nieve.

Específicamente, busca los cristales de nieve más brillantes, nítidos y hermosos que pueda producir la naturaleza. Los mejores copos tienden a formarse en los lugares más fríos, dice, como Fairbanks y el nevado estado de Nueva York. La mejor nieve que ha encontrado fue en Cochrane, en el remoto noreste de Ontario, donde hay poco viento para golpear los copos de nieve mientras caen por el cielo.

Instalado en la intemperie, Libbrecht escanea su tabla con la paciencia de un arqueólogo, buscando copos de nieve perfectos y otros cristales de nieve. “Si hay uno realmente bonito, tu ojo lo encontrará”, dice. “Si no, lo eliminas, y lo haces durante horas”.

Libbrecht es físico. Su laboratorio en el Instituto Tecnológico de California ha investigado la estructura interna del sol y ha desarrollado instrumentos avanzados para la detección de ondas gravitacionales. Pero durante 20 años, la pasión de Libbrecht ha sido la nieve, no sólo su aspecto, sino también lo que hace que tenga el aspecto que tiene. “Es un poco embarazoso cuando las cosas caen del cielo, y es como, ‘¿Por qué se ve así? No tengo ni idea'”, dijo.

Desde hace 75 años, los físicos saben que los diminutos cristales de la nieve se ajustan a dos tipos predominantes. Uno es la icónica estrella plana, con seis o doce puntas, cada una de ellas decorada con ramas de encaje a juego en una vertiginosa gama de posibilidades. La otra es una columna, a veces con casquillos planos y a veces parecida a un tornillo de ferretería. Estas formas diferentes se producen a distintas temperaturas y humedades, pero la razón de ello ha sido un misterio.

A lo largo de los años, las minuciosas observaciones de Libbrecht han permitido conocer el proceso de cristalización de la nieve. “Seguramente es el Papa en este campo”, dijo Gilles Demange, un científico de materiales de la Universidad de Rouen (Francia) que también estudia los cristales de nieve.

Ahora, el trabajo de Libbrecht sobre la nieve ha cristalizado en un nuevo modelo que intenta explicar por qué los copos de nieve y otros cristales de nieve se forman como lo hacen. Su modelo, detallado en un artículo que publicó en Internet en octubre, describe la danza de las moléculas de agua cerca del punto de congelación y cómo los movimientos particulares de esas moléculas pueden explicar la panoplia de cristales que se forman en diferentes condiciones. En otra monografía de 540 páginas, Libbrecht describe el conjunto de conocimientos sobre los cristales de nieve. Douglas Natelson, físico de la materia condensada de la Universidad de Rice, calificó la nueva monografía de “tour de force”

“Como obra”, dijo Natelson, “es magnífica”

Estrellas de seis esquinas

Todo el mundo sabe que no hay dos copos de nieve iguales, un hecho que se deriva de la forma en que los cristales se cocinan en el cielo. La nieve es un conjunto de cristales de hielo que se forman en la atmósfera y conservan su forma al caer colectivamente sobre la Tierra. Se forman cuando la atmósfera es lo suficientemente fría como para evitar que se fusionen o fundan y se conviertan en aguanieve o lluvia.

Aunque una nube contiene multitud de temperaturas y niveles de humedad, estas variables son tan buenas como constantes en un solo copo de nieve. Por ello, el crecimiento de los copos de nieve suele ser simétrico. Por otro lado, cada copo de nieve es azotado por los vientos cambiantes, la luz del sol y otras variables, señala Mary Jane Shultz, química de la Universidad de Tufts que publicó un ensayo reciente sobre la física de los copos de nieve. A medida que cada cristal se somete al caos de una nube, todos adoptan formas ligeramente diferentes, explica.

Las primeras reflexiones registradas sobre estas delicadas formas datan del año 135 a.C. en China, según la investigación de Libbrecht. “Las flores de las plantas y los árboles suelen tener cinco puntas, pero las de la nieve, que se llaman ying, siempre tienen seis”, escribió el erudito Han Yin. Pero el primer científico que intentó comprender por qué ocurre esto fue probablemente Johannes Kepler, el científico y polímata alemán.

En 1611, Kepler ofreció un regalo de Año Nuevo a su mecenas, el emperador del Sacro Imperio Romano Germánico Rodolfo II: un ensayo titulado “El copo de nieve de seis puntas”. Kepler escribe que observó un copo de nieve en su solapa mientras cruzaba el Puente de Carlos de Praga y no pudo evitar reflexionar sobre su geometría. “Debe haber una causa por la que la nieve tiene la forma de una estrella de seis esquinas. No puede ser casualidad”, escribió.

Habría recordado una carta de su contemporáneo Thomas Harriot, un científico y astrónomo inglés que, entre otras funciones, sirvió de navegante al explorador Sir Walter Raleigh. Alrededor de 1584, Harriot buscaba la forma más eficaz de apilar las balas de cañón en las cubiertas de los barcos de Raleigh. Harriot descubrió que los patrones hexagonales eran la mejor manera de apilar las esferas, y se puso en contacto con Kepler. Kepler se preguntó si ocurría algo similar en los copos de nieve, y si sus seis lados podían fijarse en la disposición de “la unidad natural más pequeña de un líquido como el agua.”

Se trataba de una notable visión temprana de la física atómica, que no se formalizaría hasta dentro de 300 años. En efecto, las moléculas de agua, con sus dos hidrógenos y un oxígeno, tienden a unirse para formar conjuntos hexagonales. Kepler y sus contemporáneos no podían saber hasta qué punto esto era importante. “Debido a los enlaces de hidrógeno y a los detalles de la interacción de las moléculas entre sí, se obtiene una estructura cristalina relativamente abierta”, explica Natelson. Además de contribuir al crecimiento de los copos de nieve, esta estructura hexagonal hace que el hielo sea menos denso que el agua líquida, lo que afecta enormemente a la geoquímica, la geofísica y el clima. Según Natelson, si el hielo no flotara, “la vida en la Tierra no sería posible”.

Después del tratado de Kepler, la observación de los copos de nieve siguió siendo un pasatiempo más que una ciencia. En la década de 1880, un fotógrafo estadounidense llamado Wilson Bentley -de la fría localidad de Jericó, Vermont, productora de nieve de calidad- comenzó a realizar las primeras imágenes de cristales de nieve utilizando placas fotográficas. Produjo más de 5.000 imágenes antes de sucumbir finalmente a una neumonía.

En la década de 1930, el investigador japonés Ukichiro Nakaya inició un estudio sistemático de los diferentes tipos de cristales de nieve. A mediados de siglo, Nakaya producía copos de nieve en un laboratorio, utilizando pelos de conejo para suspender cristales de escarcha en aire refrigerado, donde podían crecer hasta convertirse en auténticos copos de nieve. Jugó con los ajustes de humedad y temperatura para hacer crecer los dos tipos principales de cristales y reunió su catálogo seminal de formas posibles. Nakaya descubrió que las estrellas tienden a formarse a -2 grados Celsius y a -15 C. Las columnas se forman a -5 C y de nuevo a unos -30 C. En condiciones de baja humedad, las estrellas forman pocas ramas y se asemejan a placas hexagonales, pero en condiciones de alta humedad, las estrellas crecen con diseños más intrincados y de encaje.

Según Libbrecht, la razón de las distintas formas de los cristales también empezó a aclararse tras el trabajo pionero de Nakaya. Los cristales crecen en forma de estrellas y placas planas (en lugar de estructuras tridimensionales) cuando los bordes crecen rápidamente hacia fuera mientras las caras crecen lentamente hacia arriba. Las columnas delgadas crecen de forma diferente, con caras de crecimiento rápido y bordes de crecimiento más lento.

Pero los procesos atómicos subyacentes que dictan si los cristales de nieve tendrán forma de estrella o de columna seguían siendo opacos. “¿Qué cambia con la temperatura?” dijo Libbrecht. “He estado intentando reconstruir todo eso”.

Receta de los copos de nieve

Libbrecht y el reducido grupo de investigadores que estudian este problema han estado intentando dar con una receta de los copos de nieve, por así decirlo: un conjunto de ecuaciones y parámetros que puedan introducirse en un superordenador que luego escupa la espléndida variedad de copos de nieve que realmente vemos.

Libbrecht emprendió la búsqueda hace dos décadas, después de conocer la exótica forma de los copos de nieve, llamada columna de casquete. Parece un carrete vacío, o dos ruedas y un eje. Como nativo de Dakota del Norte, se sorprendió y se preguntó: “¿Cómo es que nunca había visto uno de estos?”. Fascinado por las infinitas formas de la nieve, se dedicó a entender su naturaleza para un libro de divulgación científica que publicó más tarde, y también empezó a hacer fotos. Pronto se puso a jugar con el equipo de cultivo de copos de nieve en su laboratorio. Su nuevo modelo es el resultado de observaciones realizadas a lo largo de décadas que, según dice, han empezado a cuajar recientemente.

Su avance clave fue una idea llamada difusión molecular impulsada por la energía superficial, que describe cómo el crecimiento de un cristal de nieve depende de las condiciones iniciales y del comportamiento de las moléculas que lo forman.

Imagínese moléculas de agua dispuestas de forma suelta, cuando el vapor de agua acaba de empezar a congelarse. Si de alguna manera lo vieras desde un diminuto observatorio, verías que las moléculas de agua que se congelan empiezan a formar un entramado rígido, con cada átomo de oxígeno rodeado por cuatro átomos de hidrógeno. Estos cristales crecen incorporando moléculas de agua del aire circundante a su patrón. Pueden crecer en dos direcciones principales: hacia arriba o hacia fuera.

Un cristal delgado y plano (en forma de placa o de estrella) se forma cuando los bordes se encadenan en material más rápidamente que las dos caras del cristal. El cristal floreciente se extenderá hacia el exterior. Sin embargo, cuando sus caras crecen más rápido que sus bordes, el cristal crece más alto, formando una aguja, una columna hueca o una varilla.

Según el modelo de Libbrecht, el vapor de agua se asienta primero en las esquinas del cristal, y luego se difunde por la superficie hacia el borde del cristal o hacia sus caras, haciendo que el cristal crezca hacia fuera o hacia arriba, respectivamente. Cuál de estos procesos gana a medida que interactúan diversos efectos superficiales e inestabilidades depende sobre todo de la temperatura.

Todo esto ocurre sólo en el hielo, un mineral inusual, debido a un fenómeno llamado “prefusión”. Como el hielo de agua suele encontrarse cerca de su punto de fusión, las pocas capas superiores son líquidas y desordenadas. La prefusión se produce de forma diferente en las caras y en los bordes en función de la temperatura, aunque los detalles de este fenómeno no se comprenden del todo. “Esta es la parte del modelo en la que me lo invento todo”, dice Libbrecht, aunque afirma que la imagen física general parece plausible.

Su nuevo modelo es “semi-empírico”, ajustado en parte para que coincida con las observaciones en lugar de explicar el crecimiento de los copos de nieve partiendo totalmente de los primeros principios. Las inestabilidades y las interacciones entre innumerables moléculas son demasiado complicadas para desentrañarlas por completo. Pero espera que sus ideas constituyan la base de un modelo completo de la dinámica de crecimiento del hielo que pueda completarse con mediciones y experimentos más detallados.

Aunque el hielo es especialmente extraño, se plantean cuestiones similares en la física de la materia condensada en general. Las moléculas de los fármacos, los chips semiconductores para ordenadores, las células solares y otras innumerables aplicaciones dependen de cristales de alta calidad, y grupos enteros de investigadores se centran en los fundamentos del crecimiento de los cristales.

Meenesh Singh es uno de estos investigadores, en la Universidad de Illinois, Chicago. En un artículo reciente, Singh y un coautor identificaron un nuevo mecanismo que podría subyacer al crecimiento de los cristales en los disolventes, a diferencia de la cristalización por cambio de fase de la nieve y el hielo de Libbrecht. En la cristalización con disolventes, los materiales sólidos se disuelven en una solución como el agua u otro líquido. Ajustando la temperatura y añadiendo otros disolventes, los fabricantes pueden cristalizar nuevas moléculas de fármacos o producir nuevos cristales para células solares, etc.

“Todas las aplicaciones relativas al crecimiento de cristales se tratan de forma empírica”, dijo Singh. “Se tienen ciertos datos empíricos y, con esa información, se intenta explicar cómo crecería un cristal”. Pero no está claro, dijo, cómo una molécula en la solución se integra en un cristal. “¿Qué es lo que realmente lleva a una molécula a hacer eso? ¿Por qué iría a un cristal? Si se empieza a preguntar, se crean muchas preguntas, y esas preguntas no se abordan”.

Libbrecht cree que mejores experimentos y simulaciones informáticas más sofisticadas responderán a muchas preguntas sobre el crecimiento de los cristales en los próximos años. “Algún día se podrá hacer un modelo molecular completo hasta el átomo y ver cómo se producen estos fenómenos, hasta la mecánica cuántica”, dijo.

Mientras intenta desentrañar la física, sigue disfrutando de la fotografía de cristales de nieve y de los viajes que conlleva. Pero últimamente se ha quedado en el soleado sur de California, donde ha montado un sofisticado sistema para cultivar copos de nieve en su laboratorio. A sus 61 años, está a punto de jubilarse, lo que significa, dice, “que me deshago de los grilletes de mis otros trabajos. A partir de ahora sólo me dedicaré a hacer hielo”.

La historia original se ha reproducido con el permiso de la revista Quanta, una publicación editorial independiente de la Fundación Simons cuya misión es mejorar la comprensión pública de la ciencia cubriendo los avances y las tendencias de la investigación en matemáticas y ciencias físicas y de la vida.

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