Kenneth Libbrecht ist die seltene Person, die mitten im Winter genüsslich Südkalifornien verlässt, um nach Fairbanks in Alaska zu reisen, wo die Wintertemperaturen selten über dem Gefrierpunkt liegen. Dort zieht er einen Parka an und sitzt mit einer Kamera und einem Stück Schaumstoff auf einem Feld und wartet auf Schnee.
Insbesondere sucht er die funkelndsten, schärfsten und schönsten Schneekristalle, die die Natur hervorbringen kann. Überlegene Flocken neigen dazu, sich an den kühlsten Orten zu bilden, wie in Fairbanks und im schneebedeckten Bundesstaat New York. Der beste Schnee, den er jemals gefunden hat, war in Cochrane im entlegenen Nordosten Ontarios, wo es wenig Wind gibt, um Schneeflocken zu schlagen, wenn sie durch den Himmel fallen.
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Libbrecht ist in den Elementen gefangen und tastet sein Brett mit der Geduld eines Archäologen ab, um nach perfekten Schneeflocken und anderen Schneekristallen zu suchen. "Wenn es einen wirklich schönen gibt, wird dein Auge ihn finden", sagte er. "Wenn nicht, bürstest du das einfach weg und machst das stundenlang."
Libbrecht ist Physiker. Sein Labor am California Institute of Technology hat die innere Struktur der Sonne untersucht und fortschrittliche Instrumente für die Detektion von Gravitationswellen entwickelt. Seit 20 Jahren ist Libbrechts Leidenschaft der Schnee - nicht nur sein Aussehen, sondern auch sein Aussehen. „Es ist ein bisschen peinlich, wenn etwas vom Himmel fällt, und es ist wie:‚ Warum sieht es so aus? Schlägt mich “, sagte er.
Seit 75 Jahren wissen Physiker, dass die winzigen Kristalle im Schnee in zwei vorherrschende Typen passen. Einer ist der ikonische flache Stern mit sechs oder zwölf Punkten, die jeweils mit passenden Spitzenzweigen in einer schwindelerregenden Vielfalt von Möglichkeiten verziert sind. Die andere ist eine Säule, die manchmal von flachen Kappen eingeklemmt ist und manchmal einem Bolzen aus einem Baumarkt ähnelt. Diese unterschiedlichen Formen treten bei unterschiedlichen Temperaturen und Luftfeuchten auf, aber der Grund dafür war ein Rätsel.
Im Laufe der Jahre haben Libbrechts sorgfältige Beobachtungen Einblicke in den Schneekristallisationsprozess geliefert. "Er ist sicherlich der Papst auf diesem Gebiet", sagte Gilles Demange, ein Materialwissenschaftler an der Universität von Rouen in Frankreich, der auch Schneekristalle untersucht.
Nun kristallisiert sich in Libbrechts Arbeit über Schnee ein neues Modell heraus, das zu erklären versucht, warum Schneeflocken und andere Schneekristalle so entstehen wie sie. Sein Modell, das in einem Artikel beschrieben wird, den er im Oktober online gestellt hat, beschreibt den Tanz von Wassermolekülen in der Nähe des Gefrierpunkts und wie die besonderen Bewegungen dieser Moleküle die Vielzahl von Kristallen erklären können, die sich unter verschiedenen Bedingungen bilden. In einer separaten, 540-seitigen Monografie beschreibt Libbrecht das gesamte Wissen über Schneekristalle. Douglas Natelson, ein Physiker für kondensierte Materie an der Rice University, bezeichnete die neue Monographie als "Tour de Force".
"Als ein Stück Arbeit", sagte Natelson, "Junge, es ist wunderschön."
Sechseckige Sternchen
Jeder weiß, dass keine zwei Schneeflocken gleich sind, eine Tatsache, die von der Art und Weise herrührt, wie die Kristalle am Himmel aufkochen. Schnee ist eine Ansammlung von Eiskristallen, die sich in der Atmosphäre bilden und ihre Form behalten, wenn sie gemeinsam auf die Erde fallen. Sie bilden sich, wenn die Atmosphäre kalt genug ist, um zu verhindern, dass sie verschmelzen oder schmelzen und zu Schneeregen oder Regen werden.
Obwohl eine Wolke eine Vielzahl von Temperaturen und Feuchtigkeitsstufen enthält, sind diese Variablen über eine einzelne Schneeflocke so gut wie konstant. Aus diesem Grund ist das Wachstum von Schneeflocken oft symmetrisch. Auf der anderen Seite wird jede Schneeflocke von wechselnden Winden, Sonnenlicht und anderen Variablen getroffen, bemerkt Mary Jane Shultz, eine Chemikerin an der Tufts University, die kürzlich einen Aufsatz über Schneeflockenphysik veröffentlicht hat. Während sich jeder Kristall dem Chaos einer Wolke unterwirft, nehmen sie alle leicht unterschiedliche Formen an, erklärt sie.
Die frühesten nachgewiesenen Überlegungen zu diesen zarten Formen stammen nach Libbrechts Forschungen aus dem Jahr 135 v. Chr. In China. "Blumen von Pflanzen und Bäumen sind in der Regel fünfzackig, aber die von Schnee, die man Ying nennt, sind immer sechszackig", schrieb der Gelehrte Han Yin. Der erste Wissenschaftler, der zu verstehen versuchte, warum dies geschah, war wahrscheinlich Johannes Kepler, der deutsche Wissenschaftler und Polymath.
1611 schenkte Kepler seinem Gönner, dem heiligen römischen Kaiser Rudolf II., Ein Neujahrsgeschenk: ein Aufsatz mit dem Titel „Die sechseckige Schneeflocke“. Kepler schreibt, er habe auf seinem Revers eine Schneeflocke bemerkt, als er die Prager Karlsbrücke überquerte, und konnte dies nicht Hilfe, aber über seine Geometrie nachdenken. „Es muss einen Grund geben, warum Schnee die Form eines sechseckigen Sternchens hat. Es kann kein Zufall sein “, schrieb er.
Er hätte sich an einen Brief seines Zeitgenossen Thomas Harriot erinnert, eines englischen Wissenschaftlers und Astronomen, der unter vielen Rollen als Navigator für den Entdecker Sir Walter Raleigh diente. Um 1584 suchte Harriot den effizientesten Weg, Kanonenkugeln auf Raleighs Schiffsdecks zu stapeln. Sechseckige Muster schienen die beste Methode zu sein, um Kugeln eng zusammenzupacken, fand Harriot und korrespondierte mit Kepler. Kepler fragte sich, ob etwas Ähnliches in Schneeflocken vor sich ging und ob ihre sechs Seiten an der Anordnung „der kleinsten natürlichen Einheit einer Flüssigkeit wie Wasser“festgemacht werden konnten.
Es war eine bemerkenswerte frühe Einsicht in die Atomphysik, die für weitere 300 Jahre nicht formalisiert werden konnte. In der Tat neigen Wassermoleküle mit ihren zwei Wasserstoffen und einem Sauerstoff dazu, sich zu hexagonalen Anordnungen zusammenzuschließen. Kepler und seine Zeitgenossen hätten nicht wissen können, wie wichtig das ist. "Aufgrund der Wasserstoffbrückenbindung und der Einzelheiten der Wechselwirkung der Moleküle untereinander hat man diese vergleichsweise offene Kristallstruktur", sagte Natelson. Diese sechseckige Struktur trägt nicht nur zum Wachstum von Schneeflocken bei, sondern macht das Eis auch weniger dicht als flüssiges Wasser, was sich erheblich auf Geochemie, Geophysik und Klima auswirkt. Wenn das Eis nicht schweben würde, wäre laut Natelson „kein Leben auf der Erde möglich“.
Nach Keplers Abhandlung blieb die Beobachtung von Schneeflocken mehr ein Hobby als eine Wissenschaft. In den 1880er Jahren begann ein amerikanischer Fotograf namens Wilson Bentley - aus dem kalten, schneebedeckten Dorf Jericho in Vermont - mit der Herstellung der ersten Schneekristallbilder mit Fotoplatten. Er produzierte mehr als 5.000 Bilder, bevor er schließlich einer Lungenentzündung erlag.
In den 1930er Jahren begann der japanische Forscher Ukichiro Nakaya mit einer systematischen Untersuchung der verschiedenen Schneekristalle. In der Mitte des Jahrhunderts produzierte Nakaya Schneeflocken in einem Labor, wobei einzelne Kaninchenhaare verwendet wurden, um Frostkristalle in der gekühlten Luft zu suspendieren, wo sie zu vollwertigen Schneeflocken heranwachsen konnten. Er bastelte an Feuchtigkeits- und Temperatureinstellungen, um die beiden Hauptkristalltypen zu züchten, und stellte seinen bahnbrechenden Katalog möglicher Formen zusammen. Nakaya fand heraus, dass Sterne dazu neigen, sich bei -2 Grad Celsius und -15 Grad Celsius zu bilden. Die Säulen bilden sich bei -5 Grad Celsius und wieder bei -30 Grad Celsius. Bei niedriger Luftfeuchtigkeit bilden die Sterne wenige Zweige und ähneln hexagonalen Platten, bei hoher Luftfeuchtigkeit jedoch Die Sterne werden komplizierter und spitzenartiger.
Der Grund für die unterschiedlichen Kristallformen geriet laut Libbrecht auch nach Nakayas Pionierarbeit in den Fokus. Kristalle wachsen zu flachen Sternen und Platten (anstatt zu dreidimensionalen Strukturen), wenn die Kanten schnell nach außen wachsen, während die Flächen langsam nach oben wachsen. Schlanke Säulen wachsen anders, mit schnell wachsenden Flächen und langsamer wachsenden Rändern.
Aber die zugrunde liegenden atomaren Prozesse, die bestimmen, ob Schneekristalle wie Sterne oder Säulen geformt werden, blieben undurchsichtig. "Was ändert sich mit der Temperatur?", Sagte Libbrecht. "Ich habe versucht, das alles zusammenzufügen."
Schneeflocke Rezept
Libbrecht und die sehr kleine Gruppe von Forschern, die sich mit diesem Problem befassen, haben versucht, sozusagen ein Schneeflockenrezept zu entwickeln - eine Reihe von Gleichungen und Parametern, die in einen Supercomputer eingegeben werden können, der dann die herrliche Vielfalt der Schneeflocken ausspuckt wir sehen tatsächlich.
Libbrecht nahm die Verfolgung vor zwei Jahrzehnten auf, nachdem er die exotische Form der Schneeflocken kennengelernt hatte, die als mit einer Kappe bedeckte Säule bezeichnet wurde. Es sieht aus wie eine leere Spule oder zwei Räder und eine Achse. Als gebürtiger Nord-Dakota-Amerikaner war er schockiert und fragte sich: „Wie habe ich noch nie eine davon gesehen?“Fasziniert von den endlosen Formen des Schnees machte er sich daran, ihre Natur für ein populärwissenschaftliches Buch zu verstehen, das er später veröffentlichte, und begann zu nehmen Bilder auch. Bald bastelte er in seinem Labor an Schneeflockenzuchtgeräten. Sein neues Modell ist das Ergebnis jahrzehntelanger Beobachtungen, von denen er sagt, dass sie vor kurzem begonnen haben zu gelieren.
Sein entscheidender Durchbruch war eine Idee namens oberflächenenergiegetriebene molekulare Diffusion, die beschreibt, wie das Wachstum eines Schneekristalls von den Anfangsbedingungen und dem Verhalten der Moleküle abhängt, aus denen er besteht.
Stellen Sie sich lose angeordnete Wassermoleküle vor, während der Wasserdampf gerade erst zu gefrieren beginnt. Wenn Sie dies irgendwie von einem winzigen Observatorium aus betrachten, sehen Sie, wie die gefrorenen Wassermoleküle ein starres Gitter bilden, wobei jedes Sauerstoffatom von vier Wasserstoffatomen umgeben ist. Diese Kristalle wachsen, indem sie Wassermoleküle aus der Umgebungsluft in ihr Muster einbauen. Sie können in zwei Hauptrichtungen wachsen: nach oben oder nach außen.
Ein dünner, flacher Kristall (entweder plattenförmig oder sternförmig) bildet sich, wenn sich die Kanten schneller als die beiden Seiten des Kristalls im Material festsetzen. Der aufblühende Kristall breitet sich nach außen aus. Wenn jedoch seine Flächen schneller wachsen als seine Ränder, wird der Kristall höher und bildet eine Nadel, eine hohle Säule oder einen Stab.
Nach Libbrechts Modell setzt sich Wasserdampf zuerst an den Ecken des Kristalls ab und diffundiert dann über die Oberfläche entweder zum Rand des Kristalls oder zu seinen Flächen, wodurch der Kristall nach außen bzw. nach oben wächst. Welcher dieser Prozesse bei der Wechselwirkung verschiedener Oberflächeneffekte und Instabilitäten gewinnt, hängt hauptsächlich von der Temperatur ab.
All dies geschieht nur in Eis, einem ungewöhnlichen Mineral, aufgrund eines Phänomens, das als „Vorschmelzen“bezeichnet wird. Da Wassereis normalerweise in der Nähe seines Schmelzpunkts gefunden wird, sind die obersten Schichten flüssigkeitsartig und ungeordnet. Das Vorschmelzen tritt an den Flächen und Kanten in Abhängigkeit von der Temperatur unterschiedlich auf, obwohl die Einzelheiten hiervon nicht vollständig verstanden sind. "Dies ist der Teil des Modells, in dem ich es einfach ganz aus Stoff mache", sagte Libbrecht - obwohl er sagt, dass das physische Gesamtbild plausibel erscheint.
Sein neues Modell ist „semi-empirisch“und teilweise auf Beobachtungen abgestimmt, anstatt das Wachstum von Schneeflocken zu erklären, wobei er ausschließlich von den ersten Prinzipien ausgeht. Die Instabilitäten und Wechselwirkungen zwischen unzähligen Molekülen sind zu kompliziert, um sie vollständig zu enträtseln. Er hofft jedoch, dass seine Ideen die Grundlage für ein umfassendes Modell der Eiswachstumsdynamik bilden, das durch detailliertere Messungen und Experimente präzisiert werden kann.
Obwohl Eis besonders seltsam ist, stellen sich in der Physik der kondensierten Materie allgemein ähnliche Fragen. Medikamentenmoleküle, Halbleiterchips für Computer, Solarzellen und unzählige andere Anwendungen setzen auf hochwertige Kristalle, und ganze Forschergruppen konzentrieren sich auf die Grundlagen des Kristallwachstums.
Meenesh Singh ist einer dieser Forscher an der Universität von Illinois, Chicago. In einer kürzlich erschienenen Arbeit identifizierten Singh und ein Mitautor einen neuen Mechanismus, der dem Kristallwachstum in Lösungsmitteln im Gegensatz zur Phasenwechselkristallisation von Libbrechts Schnee und Eis zugrunde liegen könnte. Bei der Lösungsmittelkristallisation werden feste Materialien in einer Lösung wie Wasser oder einer anderen Flüssigkeit gelöst. Durch Einstellen der Temperatur und Hinzufügen anderer Lösungsmittel können Hersteller neue Wirkstoffmoleküle kristallisieren oder neue Kristalle für Solarzellen usw. herstellen.
"Alle Anwendungen in Bezug auf das Kristallwachstum werden empirisch behandelt", sagte Singh. „Sie haben bestimmte empirische Daten und versuchen anhand dieser Informationen zu erklären, wie ein Kristall wachsen würde.“Es sei jedoch nicht klar, wie sich ein Molekül in der Lösung in einen Kristall integriert. „Was treibt ein Molekül wirklich dazu an? Warum sollte ich zu einem Kristall gehen? Wenn Sie sich fragen, entstehen viele Fragen, und diese Fragen werden nicht beantwortet. “
Libbrecht glaubt, dass bessere Experimente und ausgefeiltere Computersimulationen in den kommenden Jahren viele Fragen zum Kristallwachstum beantworten werden. "Eines Tages werden Sie in der Lage sein, ein ganzes molekulares Modell bis hinunter zum Atom zu erstellen und diese Phänomene bis hinunter zur Quantenmechanik zu beobachten", sagte er.
