Kenneth Libbrecht är den sällsynta person som mitt i vintern lämnar södra Kalifornien för en plats som Fairbanks, Alaska, där temperaturen på vintern sällan överstiger noll grader. Där tar han på sig en parka och sitter på ett fält med en kamera och en bit skumpapp och väntar på snö.

Särskilt söker han efter de gnistrande, skarpaste och vackraste snökristaller som naturen kan producera. Överlägsna flingor tenderar att bildas på de kyligaste platserna, säger han, som Fairbanks och det snöiga New York. Den bästa snö han någonsin hittat var i Cochrane, i den avlägsna nordöstra delen av Ontario, där det är lite vind som slår snöflingorna när de faller genom himlen.

I skydd av elementen skannar Libbrecht sin tavla med en arkeologs tålamod och letar efter perfekta snöflingor och andra snökristaller. “Om det finns en riktigt fin sådan där, kommer ditt öga att hitta den”, säger han. “Om inte så borstar du bara bort den, och det gör du i timmar.”

Libbrecht är fysiker. Hans laboratorium vid California Institute of Technology har undersökt solens inre struktur och utvecklat avancerade instrument för att upptäcka gravitationsvågor. Men i 20 år har Libbrechts passion varit snö – inte bara dess utseende, utan också vad som gör att den ser ut som den gör. “Det är lite pinsamt när saker faller ner från himlen och man undrar varför de ser ut så där. Det vet jag inte”, säger han.

I 75 år har fysiker vetat att de små kristallerna i snö passar in i två dominerande typer. Den ena är den ikoniska platta stjärnan, med antingen sex eller tolv spetsar, var och en dekorerad med matchande spetsgrenar i en svindlande mängd möjligheter. Den andra är en pelare, ibland insprängd av platta kepsar och ibland liknar den en bult från ett järnaffärsvaruhus. Dessa olika former uppstår vid olika temperaturer och luftfuktighet, men orsaken till detta har varit ett mysterium.

Under årens lopp har Libbrechts noggranna observationer gett insikter om snökristalliseringsprocessen. “Han är verkligen påven på området”, säger Gilles Demange, materialforskare vid universitetet i Rouen i Frankrike som också studerar snökristaller.

Nu har Libbrechts arbete med snö utkristalliserats i en ny modell som försöker förklara varför snöflingor och andra snökristaller bildas på det sätt de gör. Hans modell, som beskrivs i detalj i en artikel som han lade ut på nätet i oktober, beskriver hur vattenmolekylerna dansar nära fryspunkten och hur dessa molekylers särskilda rörelser kan förklara de många olika kristaller som bildas under olika förhållanden. I en separat, 540 sidor lång monografi beskriver Libbrecht hela kunskapen om snökristaller. Douglas Natelson, fysiker inom kondenserad materia vid Rice University, kallade den nya monografin för “en kraftsamling.”

“Som ett verk”, sade Natelson, “är det fantastiskt.”

Six-Cornered Starlets

Alla vet att det inte finns två snöflingor som är likadana, ett faktum som beror på hur kristallerna kokar upp på himlen. Snö är ett kluster av iskristaller som bildas i atmosfären och behåller sin form när de kollektivt faller ner på jorden. De bildas när atmosfären är tillräckligt kall för att förhindra att de smälter eller smälter och blir till snö eller regn.

Och även om ett moln innehåller mängder av temperaturer och luftfuktighetsnivåer är dessa variabler så gott som konstanta över en enda snöflinga. Det är därför som snöflingornas tillväxt ofta är symmetrisk. Å andra sidan påverkas varje snöflinga av växlande vindar, solljus och andra variabler, konstaterar Mary Jane Shultz, kemist vid Tufts University, som nyligen publicerade en uppsats om snöflingors fysik. När varje kristall underkastar sig kaoset i ett moln tar de alla lite olika former, förklarar hon.

De tidigaste nedtecknade funderingarna om dessa känsliga former går tillbaka till 135 f.Kr. i Kina, enligt Libbrechts forskning. “Blommor av växter och träd är i allmänhet femspetsiga, men blommorna av snö, som kallas ying, är alltid sexspetsiga”, skrev den lärde Han Yin. Men den första vetenskapsmannen som försökte förstå varför detta sker var förmodligen Johannes Kepler, den tyske vetenskapsmannen och mångsysslaren.

År 1611 erbjöd Kepler en nyårsgåva till sin beskyddare, den tysk-romerske kejsaren Rudolf II: en uppsats med titeln “Den sexkantiga snöflingan”. Kepler skriver att han lade märke till en snöflinga på sin rock när han gick över Karlsbron i Prag och att han inte kunde låta bli att fundera över dess geometri. “Det måste finnas en orsak till varför snö har formen av en sexhörnig stjärna. Det kan inte vara en slump”, skrev han.

Han skulle ha erinrat sig ett brev från sin samtida Thomas Harriot, en engelsk vetenskapsman och astronom som bland annat tjänstgjorde som navigatör åt upptäcktsresanden Sir Walter Raleigh. Omkring 1584 sökte Harriot efter det mest effektiva sättet att stapla kanonkulor på Raleighs fartygsdäck. Harriot fann att sexkantiga mönster verkade vara det bästa sättet att packa ihop sfärerna tätt, och han korresponderade med Kepler om detta. Kepler undrade om något liknande skedde i snöflingor, och om deras sex sidor kunde kopplas till arrangemanget av “den minsta naturliga enheten i en vätska som vatten”.”

Det var en anmärkningsvärd tidig insikt i atomfysiken, en insikt som inte skulle formaliseras förrän om 300 år. Vattenmolekyler, med sina två väteämnen och ett syre, tenderar faktiskt att låsa ihop sig och bilda hexagonala matriser. Kepler och hans samtidiga kunde inte ha vetat hur stor betydelse detta har. “På grund av vätebindningen och detaljerna i hur molekylerna interagerar med varandra har man denna jämförelsevis öppna kristallstruktur”, säger Natelson. Förutom att den hexagonala strukturen hjälper till att odla snöflingor gör den isen mindre tät än flytande vatten, vilket har stor betydelse för geokemi, geofysik och klimat. Enligt Natelson skulle livet på jorden inte vara möjligt om isen inte flöt.”

Efter Keplers avhandling förblev observationen av snöflingor mer en hobby än en vetenskap. På 1880-talet började en amerikansk fotograf vid namn Wilson Bentley – från den kalla, kvalitetssnöproducerande byn Jericho i Vermont – att göra de första bilderna av snökristaller med hjälp av fotografiska plattor. Han producerade mer än 5 000 bilder innan han till slut dog i lunginflammation.

På 1930-talet inledde den japanske forskaren Ukichiro Nakaya en systematisk studie av de olika typerna av snökristaller. Vid mitten av århundradet tillverkade Nakaya snöflingor i ett laboratorium, där han använde enskilda kaninhår för att suspendera frostkristaller i kyld luft där de kunde växa till fullfjädrade snöflingor. Han mixtrade med fukt- och temperaturinställningar för att odla de två huvudsakliga kristalltyperna och sammanställde sin banbrytande katalog över möjliga former. Nakaya fann att stjärnor tenderar att bildas vid -2 grader Celsius och -15 C. Kolumnerna bildas vid -5 C och återigen vid cirka -30 C. Vid låg luftfuktighet bildar stjärnorna få grenar och liknar sexkantiga plattor, men vid hög luftfuktighet växer stjärnorna fram mer invecklade, spetsiga mönster.

Enligt Libbrecht började också orsaken till de olika kristallformerna att komma i fokus efter Nakayas pionjärarbete. Kristaller växer till platta stjärnor och plattor (snarare än tredimensionella strukturer) när kanterna växer snabbt utåt medan ytorna växer långsamt uppåt. Smala kolonner växer på ett annat sätt, med snabbt växande ytor och långsammare växande kanter.

Men de underliggande atomära processerna som bestämmer om snökristaller kommer att få formen av stjärnor eller kolonner förblev ogenomskinliga. “Vad förändras med temperaturen?” Libbrecht sade. “Jag har försökt att pussla ihop allt detta.”

Snöflingerecept

Libbrecht och den mycket lilla grupp forskare som studerar detta problem har försökt att ta fram ett snöflingerecept, så att säga – en uppsättning ekvationer och parametrar som kan matas in i en superdator som sedan spottar ut den fantastiska variation av snöflingor som vi faktiskt ser.

Libbrecht tog upp jakten för två decennier sedan efter att ha lärt sig om den exotiska form av snöflingor som kallas en toppad kolonn. Den ser ut som en tom spole, eller två hjul och en axel. Som infödd från North Dakota blev han chockad och undrade: “Hur kunde jag aldrig ha sett en sådan här?”. Fascinerad av snöns oändliga former började han förstå deras natur för en populärvetenskaplig bok som han senare publicerade, och han började också ta bilder. Snart pysslade han med utrustning för att odla snöflingor i sitt labb. Hans nya modell är resultatet av observationer som gjorts under årtionden och som han säger nyligen började klarna.

Hans viktigaste genombrott var en idé som kallas ytenergidriven molekylär diffusion, som beskriver hur en snökristalls tillväxt beror på de initiala förhållandena och beteendet hos de molekyler som bildar den.

Föreställ dig vattenmolekyler som är löst arrangerade när vattenånga precis börjar frysa. Om du på något sätt betraktade detta från ett litet observatorium skulle du se hur de frusna vattenmolekylerna börjar bilda ett styvt galler, där varje syreatom är omgiven av fyra väteatomer. Dessa kristaller växer genom att inkorporera vattenmolekyler från den omgivande luften i sitt mönster. De kan växa i två huvudriktningar: uppåt eller utåt.

En tunn, platt kristall (antingen platt- eller stjärnformig) bildas när kanterna tar in material snabbare än kristallens två sidor. Den spirande kristallen kommer att sprida sig utåt. Men när dess ytor växer snabbare än dess kanter blir kristallen högre och bildar en nål, en ihålig pelare eller en stav.

Enligt Libbrechts modell lägger sig vattenånga först på kristallens hörn och diffunderar sedan över ytan antingen till kristallens kant eller till dess ytor, vilket får kristallen att växa utåt respektive uppåt. Vilken av dessa processer som vinner när olika yteffekter och instabiliteter samverkar beror främst på temperaturen.

Alt detta sker endast i is, ett ovanligt mineral, på grund av ett fenomen som kallas “försmältning”. Eftersom vattenis vanligtvis finns nära smältpunkten är de översta lagren vätskeformiga och oordnade. Försmältningen sker på olika sätt på ytor och kanter som en funktion av temperaturen, även om detaljerna i detta inte är helt förstådda. “Det här är den del av modellen där jag bara hittar på hela vägen”, säger Libbrecht – även om han säger att den övergripande fysiska bilden verkar rimlig.

Hans nya modell är “halvempirisk”, delvis anpassad för att matcha observationer snarare än att förklara snöflingornas tillväxt helt och hållet utifrån första principer. Instabiliteterna och interaktionerna mellan otaliga molekyler är för komplicerade att lösa helt och hållet. Men han hoppas att hans idéer ska ligga till grund för en omfattande modell av isens tillväxtdynamik som kan fyllas på med mer detaljerade mätningar och experiment.

Och även om isen är särskilt konstig uppstår liknande frågor inom fysiken för kondenserad materia mer generellt. Läkemedelsmolekyler, halvledarchips för datorer, solceller och otaliga andra tillämpningar är beroende av högkvalitativa kristaller, och hela forskargrupper fokuserar på grunderna för kristalltillväxt.

Meenesh Singh är en sådan forskare, vid University of Illinois, Chicago. I en nyligen publicerad artikel har Singh och en medförfattare identifierat en ny mekanism som kan ligga till grund för kristalltillväxt i lösningsmedel, i motsats till fasförändringskristallisationen i Libbrechts snö och is. Vid kristallisering i lösningsmedel löses fasta material upp i en lösning som vatten eller en annan vätska. Genom att justera temperaturen och tillsätta andra lösningsmedel kan tillverkare kristallisera nya läkemedelsmolekyler eller producera nya kristaller för solceller och så vidare.

“Alla tillämpningar som rör kristalltillväxt behandlas empiriskt”, sade Singh. “Man har vissa empiriska data och med hjälp av den informationen försöker man förklara hur en kristall skulle växa.” Men det är inte klart, sade han, hur en molekyl i lösningen integreras i en kristall. “Vad är det egentligen som driver en molekyl att göra det? Varför skulle jag gå in i en kristall? Om man börjar undra skapar det en massa frågor, och dessa frågor är inte besvarade.”

Libbrecht tror att bättre experiment och mer sofistikerade datorsimuleringar kommer att besvara många frågor om kristalltillväxt under de kommande åren. “En dag kommer man att kunna göra en hel molekylär modell ända ner till atomen och se dessa fenomen som pågår, ända ner till kvantmekaniken”, säger han.

Medans han försöker reda ut fysiken njuter han fortfarande av snökristallfotografering och de resor som följer med den. Men på senare tid har han stannat kvar i soliga södra Kalifornien, där han har riggat upp ett sofistikerat system för att odla snöflingor i sitt labb. Vid 61 års ålder närmar han sig pensionen, vilket innebär, säger han, “att jag kastar bort bojorna från mina andra jobb. Jag kommer bara att göra is från och med nu.”

Originalartikeln återges med tillstånd från Quanta Magazine, en redaktionellt oberoende publikation från Simons Foundation vars uppdrag är att öka allmänhetens förståelse för vetenskap genom att täcka forskningens utveckling och trender inom matematik, fysik och biovetenskap.

Mer fantastiska WIRED-historier

• Om 5G-datastormen kommer att slå till först
• Hur vi lärde oss att älska den pedagogiska ångan i STEM
• Vad en 5,700 år gammalt tuggummi avslöjar om dess tuggare
• Möt aktivisterna som riskerar fängelse för att filma VR på fabriksgårdar
• Notera dina tankar med dessa fantastiska appar för anteckningar
• 👁 Kommer AI som område att “slå i väggen” snart? Plus de senaste nyheterna om artificiell intelligens
• 💻 Uppgradera ditt arbetsspel med vårt Gear-teams favoriter bland bärbara datorer, tangentbord, skrivalternativ och brusreducerande hörlurar

.