Kenneth Libbrecht este acea persoană rară care, în mijlocul iernii, părăsește cu bucurie sudul Californiei pentru un loc precum Fairbanks, Alaska, unde temperaturile din timpul iernii rareori depășesc pragul de îngheț. Acolo, el îmbracă o parka și stă pe câmp cu un aparat de fotografiat și o bucată de carton de spumă, așteptând zăpada.

În mod special, el caută cele mai strălucitoare, mai ascuțite și mai frumoase cristale de zăpadă pe care natura le poate produce. Fulgii superiori tind să se formeze în cele mai reci locuri, spune el, cum ar fi Fairbanks și nordul înzăpezit al statului New York. Cea mai bună zăpadă pe care a găsit-o vreodată a fost în Cochrane, în nord-estul îndepărtat al provinciei Ontario, unde există puțin vânt care să lovească fulgii de zăpadă în timp ce cad pe cer.

Închis în intemperii, Libbrecht își scrutează tabla cu răbdarea unui arheolog, căutând fulgi de zăpadă perfecți și alte cristale de zăpadă. “Dacă este unul foarte frumos acolo, ochiul tău îl va găsi”, a spus el. “Dacă nu, pur și simplu îl dai la o parte, și faci asta ore întregi.”

Libbrecht este fizician. Laboratorul său de la California Institute of Technology a investigat structura internă a soarelui și a dezvoltat instrumente avansate pentru detectarea undelor gravitaționale. Dar, de 20 de ani, pasiunea lui Libbrecht a fost zăpada – nu doar aspectul ei, ci și ceea ce o face să arate așa cum arată. “Este un pic jenant atunci când lucrurile cad din cer și te întrebi: “De ce arată așa? Mă depășește'”, a spus el.

De 75 de ani, fizicienii au știut că micile cristale din zăpadă se încadrează în două tipuri predominante. Unul este steaua plată iconică, cu șase sau 12 vârfuri, fiecare decorată cu ramuri de dantelă potrivite, într-o gamă amețitoare de posibilități. Celălalt este o coloană, uneori intercalată de capace plate și alteori semănând cu un șurub de la un magazin de feronerie. Aceste forme diferite apar la temperaturi și umidități diferite, dar motivul pentru acest lucru a fost un mister.

De-a lungul anilor, observațiile minuțioase ale lui Libbrecht au adus informații despre procesul de cristalizare a zăpezii. “El este cu siguranță papa în domeniu”, a declarat Gilles Demange, un cercetător în domeniul materialelor de la Universitatea din Rouen, Franța, care studiază, de asemenea, cristalele de zăpadă.

Acum, munca lui Libbrecht asupra zăpezii s-a cristalizat într-un nou model care încearcă să explice de ce fulgii de zăpadă și alte cristale de zăpadă se formează în felul în care o fac. Modelul său, detaliat într-o lucrare pe care a postat-o online în octombrie, descrie dansul moleculelor de apă în apropierea punctului de îngheț și modul în care mișcările particulare ale acestor molecule pot explica panoplia de cristale care se formează în diferite condiții. Într-o monografie separată, de 540 de pagini, Libbrecht descrie întregul corp de cunoștințe despre cristalele de zăpadă. Douglas Natelson, un fizician al materiei condensate de la Universitatea Rice, a numit noua monografie “un tur de forță.”

“Ca lucrare”, a spus Natelson, “băiete, este superbă.”

Six-Cornered Starlets

Toată lumea știe că nu există doi fulgi de zăpadă la fel, fapt care provine din modul în care cristalele se gătesc pe cer. Zăpada este un grup de cristale de gheață care se formează în atmosferă și își păstrează forma atunci când cad colectiv pe Pământ. Ele se formează atunci când atmosfera este suficient de rece pentru a le împiedica să fuzioneze sau să se topească și să se transforme în polei sau ploaie.

Deși un nor conține o multitudine de temperaturi și niveluri de umiditate, aceste variabile sunt cât se poate de constante în cazul unui singur fulg de zăpadă. Acesta este motivul pentru care creșterea fulgilor de zăpadă este adesea simetrică. Pe de altă parte, fiecare fulg de zăpadă este zdruncinat de vânturile schimbătoare, de lumina soarelui și de alte variabile, notează Mary Jane Shultz, chimist la Universitatea Tufts, care a publicat recent un eseu despre fizica fulgilor de zăpadă. Pe măsură ce fiecare cristal se supune haosului unui nor, toți capătă forme ușor diferite, explică ea.

Cele mai vechi meditații consemnate despre aceste forme delicate datează din anul 135 î.Hr. în China, potrivit cercetărilor lui Libbrecht. “Florile de plante și de copaci au, în general, cinci vârfuri, dar cele de zăpadă, care se numesc ying, au întotdeauna șase vârfuri”, a scris savantul Han Yin. Dar primul om de știință care a încercat să înțeleagă de ce se întâmplă acest lucru a fost probabil Johannes Kepler, omul de știință și politologul german.

În 1611, Kepler a oferit un cadou de Anul Nou patronului său, împăratul Sfântului Imperiu Roman Rudolf al II-lea: un eseu numit “Fulgul de zăpadă cu șase colțuri”. Kepler scrie că a observat un fulg de zăpadă pe reverul său în timp ce traversa Podul Carol din Praga și nu a putut să nu mediteze asupra geometriei acestuia. “Trebuie să existe o cauză pentru care zăpada are forma unei steluțe cu șase colțuri. Nu poate fi o întâmplare”, a scris el.

Și-ar fi amintit de o scrisoare a contemporanului său Thomas Harriot, un om de știință și astronom englez care, printre multe roluri, a servit ca navigator pentru exploratorul Sir Walter Raleigh. În jurul anului 1584, Harriot a căutat cel mai eficient mod de a stivui ghiulelele de tun pe punțile navelor lui Raleigh. Harriot a descoperit că modelele hexagonale păreau a fi cel mai bun mod de a împacheta sferele foarte aproape unele de altele și a corespondat cu Kepler pe această temă. Kepler s-a întrebat dacă nu cumva se întâmpla ceva similar în cazul fulgilor de zăpadă și dacă cele șase laturi ale acestora ar putea fi puse în legătură cu aranjamentul “celei mai mici unități naturale a unui lichid precum apa”.”

A fost o remarcabilă intuiție timpurie în fizica atomică, una care nu avea să fie formalizată decât peste 300 de ani. Într-adevăr, moleculele de apă, cu cei doi hidrogeni și un oxigen, au tendința de a se bloca împreună pentru a forma rețele hexagonale. Kepler și contemporanii săi nu aveau cum să știe cât de mult contează acest lucru. “Din cauza legăturii de hidrogen și a detaliilor legate de modul în care moleculele interacționează unele cu altele, aveți această structură cristalină relativ deschisă”, a spus Natelson. În afară de faptul că ajută la creșterea fulgilor de zăpadă, această structură hexagonală face ca gheața să fie mai puțin densă decât apa lichidă, ceea ce afectează enorm geochimia, geofizica și clima. Potrivit lui Natelson, dacă gheața nu ar pluti, “viața pe Pământ nu ar fi posibilă.”

După tratatul lui Kepler, observarea fulgilor de zăpadă a rămas un hobby mai mult decât o știință. În anii 1880, un fotograf american pe nume Wilson Bentley – din satul Jericho, Vermont, un sat rece și producător de zăpadă de calitate – a început să realizeze primele imagini cu cristale de zăpadă folosind plăci fotografice. El a produs mai mult de 5.000 de imagini înainte de a sucomba în cele din urmă din cauza unei pneumonii.

Apoi, în anii 1930, cercetătorul japonez Ukichiro Nakaya a început un studiu sistematic al diferitelor tipuri de cristale de zăpadă. Până la jumătatea secolului al XIX-lea, Nakaya producea fulgi de zăpadă în laborator, folosind fire individuale de păr de iepure pentru a suspenda cristale de gheață în aer refrigerat, unde acestea se puteau dezvolta în fulgi de zăpadă cu drepturi depline. El a jucat cu setările de umiditate și temperatură pentru a crește cele două tipuri principale de cristale și a adunat catalogul său seminal de forme posibile. Nakaya a descoperit că stelele tind să se formeze la -2 grade Celsius și la -15 C. Coloanele se formează la -5 C și din nou la aproximativ -30 C. În condiții de umiditate scăzută, stelele formează puține ramificații și se aseamănă cu plăci hexagonale, dar în condiții de umiditate ridicată, stelele cresc cu desene mai complicate, dantelate.

Potrivit lui Libbrecht, motivul pentru diferitele forme de cristale a început, de asemenea, să fie pus în evidență după munca de pionierat a lui Nakaya. Cristalele se transformă în stele și plăci plate (mai degrabă decât în structuri tridimensionale) atunci când marginile cresc rapid spre exterior, în timp ce fețele cresc încet în sus. Coloanele subțiri cresc într-un mod diferit, cu fețe care cresc rapid și margini care cresc mai lent.

Dar procesele atomice subiacente care dictează dacă cristalele de zăpadă vor avea forma unor stele sau a unor coloane au rămas opace. “Ce se schimbă odată cu temperatura?” a spus Libbrecht. “Am încercat să pun toate astea cap la cap.”

Rețeta fulgilor de zăpadă

Libbrecht și grupul foarte restrâns de cercetători care studiază această problemă au încercat să găsească o rețetă a fulgilor de zăpadă, ca să spunem așa – un set de ecuații și parametri care pot fi introduși într-un supercomputer care să scuipe apoi varietatea splendidă de fulgi de zăpadă pe care o vedem de fapt.

Libbrecht s-a apucat de această căutare în urmă cu două decenii, după ce a aflat de forma exotică a fulgilor de zăpadă numită coloană plafonată. Arată ca o bobină goală, sau ca două roți și o axă. Ca nativ din Dakota de Nord, a fost șocat, întrebându-se: “Cum de nu am văzut niciodată așa ceva?”. Fascinat de formele nesfârșite ale zăpezii, s-a apucat să le înțeleagă natura pentru o carte de popularizare a științei pe care a publicat-o mai târziu și a început să facă și fotografii. În curând, a început să se joace cu echipamentul de creștere a fulgilor de zăpadă în laboratorul său. Noul său model este rezultatul unor observații făcute de-a lungul deceniilor despre care spune că au început recent să se contureze.

Principala sa descoperire a fost o idee numită difuzie moleculară determinată de energia de suprafață, care descrie modul în care creșterea unui cristal de zăpadă depinde de condițiile inițiale și de comportamentul moleculelor care îl formează.

Imaginați-vă moleculele de apă dispuse lejer, în timp ce vaporii de apă abia încep să înghețe. Dacă ați vizualiza cumva acest lucru de la un mic observator, ați vedea că moleculele de apă care îngheață încep să formeze o rețea rigidă, cu fiecare atom de oxigen înconjurat de patru atomi de hidrogen. Aceste cristale cresc prin încorporarea moleculelor de apă din aerul înconjurător în modelul lor. Ele pot crește în două direcții principale: în sus sau în afară.

Un cristal subțire și plat (fie ca o placă, fie ca o stea) se formează atunci când marginile înglobează material mai repede decât cele două fețe ale cristalului. Cristalul înmugurit se va întinde spre exterior. Cu toate acestea, atunci când fețele sale cresc mai repede decât marginile sale, cristalul devine mai înalt, formând un ac, o coloană goală sau o tijă.

Conform modelului lui Libbrecht, vaporii de apă se depun mai întâi pe colțurile cristalului, apoi se difuzează pe suprafață fie spre marginea cristalului, fie spre fețele sale, determinând cristalul să crească spre exterior, respectiv spre sus. Care dintre aceste procese câștigă pe măsură ce interacționează diversele efecte de suprafață și instabilități depinde în principal de temperatură.

Toate acestea se întâmplă numai în gheață, un mineral neobișnuit, din cauza unui fenomen numit “pretopire”. Deoarece gheața de apă se găsește de obicei aproape de punctul său de topire, cele câteva straturi superioare sunt lichide și dezordonate. Pretopirea are loc în mod diferit pe fețe și pe margini în funcție de temperatură, deși detaliile acestui fenomen nu sunt complet înțelese. “Aceasta este partea din model în care pur și simplu o inventez de la sine”, a spus Libbrecht – deși el spune că imaginea fizică generală pare plauzibilă.

Noul său model este “semi-empiric”, ajustat parțial pentru a se potrivi cu observațiile, mai degrabă decât pentru a explica creșterea fulgilor de zăpadă pornind în întregime de la primele principii. Instabilitățile și interacțiunile dintre nenumăratele molecule sunt prea complicate pentru a fi deslușite în întregime. Dar el speră că ideile sale vor sta la baza unui model cuprinzător al dinamicii de creștere a gheții, care poate fi completat prin măsurători și experimente mai detaliate.

Deși gheața este deosebit de ciudată, întrebări similare apar în fizica materiei condensate în general. Moleculele de medicamente, cipurile semiconductoare pentru calculatoare, celulele solare și nenumărate alte aplicații se bazează pe cristale de înaltă calitate, iar grupuri întregi de cercetători se concentrează pe elementele de bază ale creșterii cristalelor.

Meenesh Singh este un astfel de cercetător, la Universitatea din Illinois, Chicago. Într-o lucrare recentă, Singh și un coautor au identificat un nou mecanism care ar putea sta la baza creșterii cristalelor în solvenți, spre deosebire de cristalizarea cu schimbare de fază din zăpada și gheața lui Libbrecht. În cazul cristalizării în solvenți, materialele solide sunt dizolvate într-o soluție precum apa sau un alt lichid. Prin ajustarea temperaturii și adăugarea altor solvenți, producătorii pot cristaliza noi molecule de medicamente sau pot produce noi cristale pentru celulele solare și așa mai departe.

“Toate aplicațiile privind creșterea cristalelor sunt abordate empiric”, a spus Singh. “Aveți anumite date empirice și, folosind aceste informații, încercați să explicați cum ar crește un cristal”. Dar nu este clar, a spus el, cum se integrează o moleculă din soluție într-un cristal. “Ce determină cu adevărat o moleculă să facă acest lucru? De ce ar merge într-un cristal? Dacă începi să te întrebi, se creează o mulțime de întrebări, iar aceste întrebări nu sunt abordate.”

Libbrecht crede că experimente mai bune și simulări computerizate mai sofisticate vor răspunde la multe întrebări despre creșterea cristalelor în următorii ani. “Într-o zi, veți putea face un întreg model molecular până la atom și să vedeți cum se întâmplă aceste fenomene, până la mecanica cuantică”, a spus el.

În timp ce încearcă să deslușească fizica, el încă se bucură de fotografia cristalelor de zăpadă și de călătoriile care vin odată cu aceasta. Dar, în ultima vreme, el a rămas pe loc în însorita Californie de Sud, unde a montat un sistem sofisticat de creștere a fulgilor de zăpadă în laboratorul său. La 61 de ani, se apropie de pensionare, ceea ce înseamnă, spune el, “arunc cătușele celorlalte slujbe”. De acum înainte mă voi ocupa doar de gheață.”

Povestire originală retipărită cu permisiunea Quanta Magazine, o publicație independentă editorial a Fundației Simons, a cărei misiune este de a spori înțelegerea publică a științei prin acoperirea evoluțiilor și tendințelor de cercetare în matematică și în științele fizice și ale vieții.

Mai multe povești grozave din WIRED

• Unde va lovi mai întâi furtuna de date 5G
• Cum am învățat să iubim aburul pedagogic al STEM
• Ce înseamnă un 5,700 de ani de gumă de mestecat dezvăluie despre cel care o mestecă
• Întâlnește-i pe activiștii care riscă închisoarea pentru a filma VR în fermele industriale
• Înregistrează-ți gândurile cu aceste aplicații grozave de luat notițe
• 👁 Va “lovi zidul” în curând AI ca domeniu? În plus, cele mai recente știri despre inteligența artificială
• 💻 Îmbunătățiți-vă jocul de lucru cu laptopurile, tastaturile, alternativele de tastare și căștile cu anulare a zgomotului preferate de echipa noastră Gear