Oorspronkelijk verhaal met toestemming overgenomen van Quanta Magazine, een redactioneel onafhankelijke publicatie van de Simons Stichting met als missie het vergroten van het inzicht van het publiek in de wetenschap door het verslaan van onderzoeksontwikkelingen en trends in de wiskunde en de natuur- en levenswetenschappen.|||

Libbrecht is natuurkundige. Zijn lab aan het California Institute of Technology heeft de interne structuur van de zon onderzocht en geavanceerde instrumenten ontwikkeld voor het detecteren van zwaartekrachtgolven. Maar al 20 jaar is Libbrechts passie sneeuw – niet alleen het uiterlijk ervan, maar ook wat ervoor zorgt dat het eruitziet zoals het doet. “Het is een beetje gênant als er dingen uit de lucht vallen en je denkt: ‘Waarom ziet het er zo uit? Beats me,'” zei hij.

Al 75 jaar weten natuurkundigen dat de minuscule kristallen in sneeuw in twee gangbare types passen. Het ene is de iconische platte ster, met ofwel zes ofwel twaalf punten, elk versierd met bijpassende kanttakjes in een duizelingwekkende waaier van mogelijkheden. De andere is een zuil, soms ingeklemd door platte kapjes en soms lijkend op een bout uit een ijzerwinkel. Deze verschillende vormen doen zich voor bij verschillende temperaturen en vochtigheden, maar de reden hiervoor is een mysterie gebleven.

In de loop der jaren hebben Libbrechts nauwgezette observaties inzichten opgeleverd in het kristallisatieproces van sneeuw. “Hij is zeker de paus op dit gebied,” zei Gilles Demange, een materiaalwetenschapper aan de Universiteit van Rouen in Frankrijk die ook sneeuwkristallen bestudeert.

Nu heeft Libbrechts werk aan sneeuw zich gekristalliseerd in een nieuw model dat probeert te verklaren waarom sneeuwvlokken en andere sneeuwkristallen zich vormen zoals ze dat doen. Zijn model, gedetailleerd in een paper dat hij in oktober online plaatste, beschrijft de dans van watermoleculen nabij het vriespunt en hoe de specifieke bewegingen van die moleculen de panoply van kristallen kunnen verklaren die zich onder verschillende omstandigheden vormen. In een afzonderlijke monografie van 540 pagina’s beschrijft Libbrecht de volledige kennis over sneeuwkristallen. Douglas Natelson, een natuurkundige op het gebied van de gecondenseerde materie aan de Rice University, noemde de nieuwe monografie “een tour de force.”

“Als een werkstuk,” zei Natelson, “jongen, het is prachtig.”

Six-Cornered Starlets

Iedereen weet dat geen twee sneeuwvlokken gelijk zijn, een feit dat voortkomt uit de manier waarop de kristallen zich in de lucht koken. Sneeuw is een cluster van ijskristallen die zich vormen in de atmosfeer en hun vorm behouden als ze gezamenlijk op de aarde vallen. Ze vormen zich wanneer de atmosfeer koud genoeg is om te voorkomen dat ze samensmelten of smelten en in natte sneeuw of regen veranderen.

Hoewel een wolk een veelheid aan temperaturen en vochtigheidsniveaus bevat, zijn deze variabelen zo goed als constant voor een enkele sneeuwvlok. Daarom is de groei van een sneeuwvlok vaak symmetrisch. Aan de andere kant wordt elke sneeuwvlok geteisterd door veranderende wind, zonlicht en andere variabelen, merkt Mary Jane Shultz op, een chemicus aan de Tufts University die onlangs een essay publiceerde over de natuurkunde van sneeuwvlokken. Naarmate elk kristal zich onderwerpt aan de chaos van een wolk, nemen ze allemaal een iets andere vorm aan, legt ze uit.

De vroegste vastgelegde bespiegelingen over deze delicate vormen dateren van 135 v. Chr. in China, zo blijkt uit Libbrechts onderzoek. “Bloemen van planten en bomen zijn over het algemeen vijfpuntig, maar die van sneeuw, die ying worden genoemd, zijn altijd zespuntig,” schreef de geleerde Han Yin. Maar de eerste wetenschapper die probeerde te begrijpen waarom dit gebeurt was waarschijnlijk Johannes Kepler, de Duitse wetenschapper en polymath.

In 1611 bood Kepler een nieuwjaarsgeschenk aan zijn beschermheer, de Heilige Roomse Keizer Rudolf II: een opstel genaamd “De Zeshoekige Sneeuwvlok”. Kepler schrijft dat hij een sneeuwvlok op zijn revers zag toen hij de Karelsbrug in Praag overstak en dat hij niet anders kon dan mijmeren over de geometrie ervan. “Er moet een oorzaak zijn waarom sneeuw de vorm heeft van een zeshoekig sterretje. Het kan geen toeval zijn,” schreef hij.

Hij zou zich een brief hebben herinnerd van zijn tijdgenoot Thomas Harriot, een Engelse wetenschapper en astronoom die, naast vele andere functies, als navigator diende voor de ontdekkingsreiziger Sir Walter Raleigh. Rond 1584 zocht Harriot naar de meest efficiënte manier om kanonskogels op de scheepsdekken van Raleigh te stapelen. Zeshoekige patronen leken de beste manier om bollen dicht op elkaar te stapelen, vond Harriot, en hij correspondeerde hierover met Kepler. Kepler vroeg zich af of iets dergelijks zich ook afspeelde in sneeuwvlokken, en of hun zes zijden konden worden vastgepind op de ordening van “de kleinste natuurlijke eenheid van een vloeistof als water.”

Het was een opmerkelijk vroeg inzicht in de atoomfysica, een inzicht dat pas over 300 jaar zou worden geformaliseerd. Watermoleculen, met hun twee hydrogenen en één zuurstof, hebben inderdaad de neiging om zich samen te voegen tot zeshoekige arrays. Kepler en zijn tijdgenoten konden niet weten hoe belangrijk dit is. “Door de waterstofbruggen en de details van hoe de moleculen met elkaar reageren, heb je deze relatief open kristalstructuur,” zegt Natelson. Deze zeshoekige structuur helpt niet alleen bij de groei van sneeuwvlokken, maar maakt ijs ook minder dicht dan vloeibaar water, wat een enorme invloed heeft op de geochemie, geofysica en het klimaat. Volgens Natelson zou, als ijs niet zou drijven, “leven op aarde niet mogelijk zijn.”

Na Keplers verhandeling bleef het waarnemen van sneeuwvlokken meer een hobby dan een wetenschap. In de jaren 1880 begon een Amerikaanse fotograaf genaamd Wilson Bentley – uit het koude, kwaliteitssneeuw producerende dorpje Jericho, Vermont – met het maken van de eerste sneeuwkristalbeelden met behulp van fotografische platen. Hij maakte meer dan 5.000 foto’s voordat hij uiteindelijk aan een longontsteking bezweek.

Toen, in de jaren dertig, begon de Japanse onderzoeker Ukichiro Nakaya met een systematische studie van de verschillende soorten sneeuwkristallen. Tegen het midden van de eeuw produceerde Nakaya sneeuwvlokken in een laboratorium, waarbij hij afzonderlijke konijnenharen gebruikte om vorstkristallen in gekoelde lucht te laten zweven, waar ze konden uitgroeien tot volwaardige sneeuwvlokken. Hij knutselde met vochtigheids- en temperatuurinstellingen om de twee belangrijkste kristaltypes te kweken en stelde zijn baanbrekende catalogus van mogelijke vormen samen. Nakaya ontdekte dat sterren de neiging hebben zich te vormen bij -2 graden Celsius en -15 C. De kolommen vormen zich bij -5 C en opnieuw bij ongeveer -30 C. Bij een lage vochtigheid vormen sterren weinig vertakkingen en lijken ze op zeshoekige platen, maar bij een hoge vochtigheid groeien de sterren meer ingewikkelde, kantige ontwerpen.

Volgens Libbrecht begon de reden voor de verschillende kristalvormen ook duidelijk te worden na Nakaya’s baanbrekende werk. Kristallen groeien uit tot platte sterren en platen (in plaats van driedimensionale structuren) wanneer de randen snel naar buiten groeien terwijl de vlakken langzaam naar boven groeien. Slanke kolommen groeien op een andere manier, met snelgroeiende vlakken en tragergroeiende randen.

Maar de onderliggende atomaire processen die dicteren of sneeuwkristallen de vorm van sterren of kolommen zullen krijgen, bleven ondoorzichtig. “Wat verandert er met de temperatuur?” zei Libbrecht. “

Sneeuwvlok Recept

Libbrecht en het zeer kleine kader van onderzoekers die dit probleem bestuderen hebben geprobeerd om als het ware met een sneeuwvlok recept te komen – een set van vergelijkingen en parameters die kunnen worden ingevoerd in een supercomputer die dan de prachtige verscheidenheid van sneeuwvlokken zou uitspugen die we daadwerkelijk zien.

Libbrecht begon er twee decennia geleden aan, nadat hij de exotische vorm van een sneeuwvlok had ontdekt die een “capped column” wordt genoemd. Het lijkt op een lege spoel, of twee wielen en een as. Als inwoner van North Dakota was hij geschokt en vroeg zich af: “Hoe had ik er nog nooit zo een gezien?” Gefascineerd door de eindeloze vormen van sneeuw, begon hij hun aard te begrijpen voor een populair-wetenschappelijk boek dat hij later publiceerde, en hij begon ook foto’s te nemen. Al snel knutselde hij in zijn lab aan apparatuur om sneeuwvlokken te kweken. Zijn nieuwe model is het resultaat van tientallen jaren observaties die volgens hem recentelijk begonnen te rijmen.

De belangrijkste doorbraak was een idee dat oppervlakte-energiegedreven moleculaire diffusie wordt genoemd, en dat beschrijft hoe de groei van een sneeuwkristal afhangt van de initiële omstandigheden en het gedrag van de moleculen die het vormen.

Stelt u zich watermoleculen voor die losjes zijn gerangschikt, als waterdamp net begint te bevriezen. Als je dit op de een of andere manier vanuit een klein observatorium zou bekijken, zou je zien dat de bevriezende watermoleculen een rigide raster beginnen te vormen, met elk zuurstofatoom omringd door vier waterstofatomen. Deze kristallen groeien door watermoleculen uit de omringende lucht in hun patroon op te nemen. Zij kunnen in twee hoofdrichtingen groeien: naar boven of naar buiten.

Een dun, plat kristal (plaatvormig of stervormig) vormt zich wanneer de randen sneller materiaal binnenkrijgen dan de twee vlakken van het kristal. Het ontluikende kristal zal zich naar buiten uitspreiden. Wanneer de vlakken echter sneller groeien dan de randen, wordt het kristal groter en vormt het een naald, holle kolom of staaf.

Volgens het model van Libbrecht slaat waterdamp eerst neer op de hoeken van het kristal en verspreidt zich dan over het oppervlak, hetzij naar de rand van het kristal, hetzij naar de vlakken, waardoor het kristal naar buiten of naar boven groeit, respectievelijk. Welk van deze processen wint bij de interactie tussen verschillende oppervlakte-effecten en instabiliteiten, hangt vooral af van de temperatuur.

Dit alles gebeurt alleen in ijs, een ongewoon mineraal, vanwege een verschijnsel dat “voorsmelten” wordt genoemd. Omdat waterijs meestal dicht bij het smeltpunt wordt aangetroffen, zijn de bovenste lagen vloeibaar en ongeordend. Voorsmelten gebeurt verschillend op de vlakken en aan de randen als een functie van de temperatuur, hoewel de details hiervan niet volledig worden begrepen. “Dit is het deel van het model waar ik het gewoon helemaal verzin,” zei Libbrecht – hoewel hij zegt dat het algemene fysische beeld plausibel lijkt.

Het nieuwe model is “semi-empirisch”, deels afgestemd op de waarnemingen in plaats van de groei van sneeuwvlokken volledig te verklaren op basis van eerste principes. De instabiliteit en de interacties tussen ontelbare moleculen zijn te ingewikkeld om volledig te ontrafelen. Maar hij hoopt dat zijn ideeën de basis zullen vormen voor een uitgebreid model van de groeidynamica van ijs, dat verder kan worden uitgewerkt door meer gedetailleerde metingen en experimenten.

Hoewel ijs bijzonder vreemd is, rijzen soortgelijke vragen in de fysica van gecondenseerde materie meer in het algemeen. Geneesmiddelenmoleculen, halfgeleiderchips voor computers, zonnecellen en talloze andere toepassingen zijn afhankelijk van kristallen van hoge kwaliteit, en hele groepen onderzoekers houden zich bezig met de basisprincipes van kristalgroei.

Meenesh Singh is zo’n onderzoeker, aan de universiteit van Illinois in Chicago. In een recent artikel hebben Singh en een coauteur een nieuw mechanisme ontdekt dat ten grondslag zou kunnen liggen aan kristalgroei in oplosmiddelen, in tegenstelling tot de fasewisselkristallisatie van Libbrechts sneeuw en ijs. Bij solventkristallisatie worden vaste stoffen opgelost in een oplossing zoals water of een andere vloeistof. Door de temperatuur aan te passen en andere oplosmiddelen toe te voegen, kunnen fabrikanten nieuwe geneesmiddelenmoleculen kristalliseren of nieuwe kristallen produceren voor zonnecellen, enzovoort.

“Alle toepassingen met betrekking tot kristalgroei worden empirisch behandeld,” zei Singh. “Je hebt bepaalde empirische gegevens en met behulp van die informatie probeer je te verklaren hoe een kristal zou groeien.” Maar het is niet duidelijk, zei hij, hoe een molecuul in de oplossing integreert in een kristal. “Wat drijft een molecuul eigenlijk om dat te doen? Waarom zou ik naar een kristal gaan? Als je je dat gaat afvragen, schept dat een heleboel vragen, en die vragen worden niet beantwoord.”

Libbrecht gelooft dat betere experimenten en geavanceerdere computersimulaties de komende jaren veel vragen over kristalgroei zullen beantwoorden. “

Terwijl hij de fysica probeert te ontrafelen, geniet hij nog steeds van het fotograferen van sneeuwkristallen en de reizen die daarmee gepaard gaan. De laatste tijd is hij echter in het zonnige zuiden van Californië gebleven, waar hij een geavanceerd systeem heeft opgezet om sneeuwvlokken te kweken in zijn laboratorium. Hij is 61 en gaat bijna met pensioen. Dat betekent, zegt hij: “Ik gooi de ketenen van mijn andere banen weg. Van nu af aan ga ik alleen nog maar ijs maken.”

Originele verhaal overgenomen met toestemming van Quanta Magazine, een redactioneel onafhankelijke publicatie van de Simons Stichting met als missie het vergroten van het inzicht van het publiek in de wetenschap door het verslaan van onderzoeksontwikkelingen en trends in de wiskunde en de natuur- en levenswetenschappen.

More Great WIRED Stories

• Waar de 5G-datastorm het eerst zal toeslaan
• Hoe we leerden houden van de pedagogische damp van STEM
• Wat een 5,700 jaar oud stuk kauwgom onthult over zijn kauwer
• Met de activisten die de gevangenis riskeren om VR in fabrieksboerderijen te filmen
• Jot je gedachten op met deze geweldige apps voor het maken van notities
• 👁 Zal AI als vakgebied binnenkort “de muur raken”? Plus, het laatste nieuws over kunstmatige intelligentie
• 💻 Upgrade uw werk game met favoriete laptops, toetsenborden, typen alternatieven, en noise-canceling hoofdtelefoons van ons Gear-team