چرا دانه‌های برف شبیه هم نیستند؟

بیش از ۷۵ سال است که فیزیک‌دان‌ها کریستال‌های کوچک برفی را به دو دسته‌ی متداول تقسیم کرده‌اند: یک دسته دارای شکل مسطح ستاره‌ای با شش یا دوازده نقطه هستند که هرکدام با شاخه‌های نواری تزئین شده‌اند. دسته‌ی دوم، ستونی شکل هستند که گاهی با پوشش‌های مسطح فشرده شده‌اند و گاهی گلوله‌ای شکل هستند. شکل‌های متفاوت دانه‌های برف در دماها و رطوبت‌های مختلف به وجود می‌آیند اما دلیل این فرایند هنوز به‌صورت یک راز باقی مانده است.سخت‌کوشی لیبرکت،دانشمند ماجراجو،منجر به ارائه‌ی دیدگاه‌های جدیدی درباره‌ی فرایند کریستال‌سازی برفی شد. گیلز دمانژ، دانشمند مواد، در دانشگاه روئن، لیبرکت را پیشتاز این بررسی‌ها می‌داند. حالا لیبرکت موفق به کریستال‌سازی برف در مدل جدیدی شده است و نشان می‌دهد چرا دانه‌های برف و دیگر کریستال‌های برفی به شکل‌های متفاوتی منجمد می‌شوند. مدل او ، به رقص مولکول‌های آب نزدیک به نقطه‌ی انجماد اشاره می‌کند و نشان می‌دهد که چگونه مجموعه‌ای از حرکت‌های مولکول‌‌ها می‌توانند آرایشی از کریستال‌ها را تحت شرایط متفاوت شکل دهند.

تقریبا همه می‌دانند که هیچ دو دانه‌ی برفی یکسان نیستند؛ این حقیقت به نحوه‌ی شکل‌گیری کریستال‌های برفی در آسمان وابسته است. برف شامل مجموعه‌ای از کریستال‌های یخی است که در هوا تشکیل می‌شوند و شکل خود را حفظ می‌کنند. وقتی هوا به‌قدری سرد باشد که مانع از انجماد یا ذوب کریستال‌ها و تبدیل آن‌ها به تگرگ و باران شود، برف به وجود می‌آید.معمولا یک ابر شامل دامنه‌ای از سطوح دما و رطوبت است اما این متغیرها در دانه‌های برف ثابت هستند. به همین دلیل اغلب دانه‌های برفی به‌صورت متقارن رشد می‌کنند. «هر دانه‌ی برفی تحت تأثیر عواملی مثل بادهای متغیر، نور خورشید و متغیرهای دیگر قرار می‌گیرد. کریستال‌ها بسته به بی‌نظمی ابر، شکل‌های متفاوتی به خود می‌گیرند.»

یوهانس کپلر، اولین دانشمندی بود که به بررسی سازوکار دانه‌های برفی پرداخت. هدیه‌ی سال نوی کپلر به ولی‌نعمت خود، رساله‌ای به‌نام دانه‌ی برف شش ضلعی بود. هنگام عبور از پل چارلز پراگ، یک دانه‌ی برف روی یقه‌ی کپلر افتاد، او شکل هندسی آن را چنین توصیف می‌کند: «باید دلیلی برای شکل شش ضلعی ستاره‌ای دانه‌ی برفی وجود داشته باشد. قطعا این شکل اتفاقی نیست.نظریه کپلر، دیدگاه مهمی در فیزیک اتمی بود که تا ۳۰۰ سال شکل رسمی به خود نگرفت. درواقع، مولکول‌های آب تشکیل شده از دو اتم هیدروژن و یک اکسیژن، تمایل دارند به شکل آرایه‌های شش ضلعی در یکدیگر قفل شوند. کپلر و دانشمندان پس از او، به اهمیت این موضوع پی نبرده بودند. به‌گفته‌ی ناتلسون: «به دلیل پیوند هیدروژنی و جزئیات واکنش مولکول‌ها با یکدیگر، ساختاری کریستالی بازی به دست می‌آید.

ساختار شش ضلعی دانه‌های برفی، چگالی یخ را نسبت به آب مایع پائین می‌آورد و این فرایند به‌شدت بر شیمی و فیزیک زمین‌شناسی و همچنین آب‌وهوا تأثیر می‌گذارد. درنتیجه بنا به‌گفته‌ی ناتلسون، اگر یخ روی آب شناور نمی‌شد (چگالی یخ کمتر از آب نبود)، حیاتی روی کره‌ی زمین وجود نداشت. در دهه ی ۱۹۳۰، اوکیچیرو ناکایا، پژوهشگر ژاپنی، پژوهشی سیستماتیک را درباره‌ی انواع کریستال‌های برفی آغاز کرد. ناکایا تا نیمه‌های قرن بیستم، مشغول تولید دانه‌های برف در آزمایشگاه بود. او از موی خرگوش برای آویزان کردن کریستال‌های یخی در هوای یخچال استفاده می‌کرد تا بتوانند به رشد خود ادامه دهند. او برای رشد دو نوع کریستال اصلی، تنظیمات دما و رطوبت را تغییر می‌داد و کاتالوگی از شکل‌های احتمالی کریستال‌ها را جمع‌آوری کرد. ناکایا متوجه شد، ستاره‌ها در دمای منفی ۲ درجه‌ و منفی ۱۵ درجه‌ی سانتی‌گراد تشکیل می‌شوند. کریستال‌های ستونی در دمای منفی ۵ درجه و منفی ۳۰ درجه رشد می‌کنند. در رطوبت اندک، کریستال‌های ستاره‌ای دارای چند شاخه‌ می‌شوند و صفحات شش ضلعی را تشکیل می‌دهند اما در رطوبت بالا، ستاره‌ها اشکال پیچیده‌تر و تورمانندی دارند

در فرآیند انجماد بخار آب، مولکول‌های آب پیوند ضعیفی دارند. اگر این پدیده را از دیدگاه ناظری کوچک ببینید، مولکول‌های آب در حال انجماد، شبکه‌‌ای یکپارچه را تشکیل می‌دهند که در آن هر اتم اکسیژن با چهار اتم هیدروژن احاطه شده است. کریستال‌ها با ورود مولکول‌های آب از هوای اطراف به الگوی کریستالی، در دو جهت رشد می‌کنند: بالا یا بیرون. کریستال مسطح و باریک (صفحه‌مانند یا ستاره‌مانند) وقتی تشکیل می‌شود که گوشه‌ها سریع‌تر از دو وجه کریستال شکل بگیرند. در این حالت کریستال، به سمت بیرون رشد می‌کند. بااین‌حال وقتی وجه‌ها سریع‌تر از یال‌ها رشد کنند، کریستال بلندتر می‌شود و به شکل سوزنی، میله‌ای یا توخالی در می‌آید.براساس مدل لیبرکت، بخار آب در ابتدا روی گوشه‌های کریستال قرار می‌گیرد، سپس روی سطح یال کریستال یا وجوه آن پخش می‌شود و باعث رشد کریستال به سمت بیرون یا بالا می‌شود. توسعه‌ی هرکدام از فرآیندها در شرایط ناپایدار و جلوه‌های متعدد سطحی، به دما بستگی دارد. علت تمام اتفاقات فوق در یخ، پدیده‌ای به‌نام ذوب سطحی است. یخ آب معمولا به نقطه‌ی ذوب نزدیک است و لایه‌های بالایی آن، شبه مایع و نامنظم هستند. با تغییر دما، ذوب سطحی روی وجوه و یال‌ها به شکل متفاوتی رخ می‌دهد، البته جزئیات این فرایند هنوز به‌طور کامل مشخص نیستند. به‌گفته‌ی لیبرکت: «این فرایند، بخشی از مدل تشکیل‌دهنده‌ی پوش کامل است.

یکی از پژوهشگرها، مینش سینگ از دانشگاه ایلینویز شیکاگو و همکار او در مقاله‌ی اخیر خود به شناسایی مکانیزم جدیدی پرداختند که برخلاف کریستالی شدن تغییر فاز برف و یخ لیبرکت، بر رشد کریستال‌ها در حلال‌ها وابسته است. در کریستال‌سازی حلال، مواد جامد مانند آب یا مایعات دیگر در محلول حل می‌شوند. با تغییر دما و اضافه کردن حلال‌های دیگر، می‌توان به کریستال‌سازی مولکول‌های دارویی جدید یا تولید کریستال‌های جدید برای سلول‌های خورشیدی پرداخت. به‌گفته‌ی سینگ: «تمام کاربردهای مرتبط با رشد کریستالی، تجربی هستند. داده‌های تجربی مشخصی وجود دارند و با استفاده از این داده‌ها می‌توان نحوه‌ی رشد کریستال‌ها را توصیف کرد.

اما هنوز مشخص نیست مولکول‌های داخل حلال چگونه در کریستال یکپارچه می‌شوند. او می‌افزاید: «چه عاملی باعث می‌شود مولکول‌ها چنین فرایند را اجرا کنند؟ چرا کریستال به وجود می‌آید؟ پرسش‌های بی‌شماری دراین‌زمینه وجود دارد.»به اعتقاد لیبرکت، آزمایش‌های بهتر و شبیه‌سازی‌های کامپیوتری پیچیده‌تر به پرسش‌های بسیاری درباره‌ی رشد کریستال در سال‌های پیش رو پاسخ می‌دهند. او می‌گوید: «روزی می‌توانیم مدلی مولکولی را به‌صورت کامل بسازیم و پیشرفت این پدیده را در زمینه‌هایی مثل مکانیک کوانتوم ببینیم.»