We zijn in een tijdperk waarin wetenschappers de oneindig kleine deeltjes kunnen detecteren die atomen veel massa geven en enkele van de diepste mysteries van de biologie onderzoeken, zoals hoe ervaringen en herinneringen kunnen worden doorgegeven via de genen van een organisme.
Het kan dus als een verrassing komen dat we de mechanica van een relatief eenvoudig natuurfenomeen nog steeds niet begrijpen: sneeuw.
De vorming van sneeuwvlokken - in wezen de idiosyncratische manier waarop water kristalliseert wanneer het in onze atmosfeer wordt gesuspendeerd - is een uiterst complex proces dat nog steeds niet volledig is beschreven door wetenschappelijke formules. "Mensen denken dat een sneeuwvlok gewoon een bevroren regendruppel is", zegt Caltech natuurkundeprofessor Kenneth Libbrecht, die de afgelopen decennia het proces van sneeuwvlokvorming heeft bestudeerd. "Maar dat is ijzel, alleen kleine ijsblokjes, en niet eens in de buurt van wat een sneeuwvlok is."
Een sneeuwvlok groeit versneld in het lab van Libbrecht
In de loop van zijn onderzoek is Libbrechts werk gegroeid tot kunst en wetenschap. Hij produceerde zowel wetenschappelijke artikelen als honderden prachtige foto's van natuurlijke sneeuwvlokken (die hij in verschillende boeken had gepubliceerd en op Amerikaanse postzegels had vermeld), en bedacht ook ingenieuze manieren om sneeuwvlokken kunstmatig in een laboratorium te laten groeien om hun vorming in microscopisch detail te bestuderen.
Maar het begon allemaal, zegt hij, met een reis terug naar zijn ouderlijk huis in North Dakota. "Ik was daar op bezoek bij mijn familie en ging naar buiten, en er lag al die sneeuw op de grond", zegt hij. "Ik dacht opeens: 'Waarom begrijp ik niet meer van deze sneeuwvlokken?'"
Dat leidde ertoe dat Libbrecht de dynamiek van sneeuwvlokvorming in zijn laboratorium begon te bestuderen, tussen het onderzoeken van meer esoterische onderwerpen zoals draaibare diodelasers en de ruis die vrijkomt door supernovae. "Ik realiseerde me dat veel over sneeuwvlokken gewoon niet erg goed wordt begrepen, en dat ijs een behoorlijk goedkoop materiaal is om mee te werken, " zegt hij.
De vorming van zelfs een enkele sneeuwvlok is een complexe gebeurtenis op moleculair niveau. In de natuur begint het wanneer de waterdamp van een wolk condenseert in waterdruppeltjes. Zelfs bij temperaturen onder het vriespunt blijven de meeste van deze druppeltjes echter meestal in vloeibare vorm, omdat ze een deeltje nodig hebben om in te vriezen: een stofdeeltje of een paar watermoleculen die zich in de zeshoekige matrix hebben geplaatst die ijs kenmerkt.
Zodra de druppels op een centraal deeltje beginnen te kristalliseren, versnelt het proces echter snel. Met een kristalkern op zijn plaats condenseren de onderkoelde watermoleculen in de omliggende waterdruppeltjes gemakkelijk op het kristal, wat op een geometrisch regelmatige manier bijdraagt aan de groei ervan. Tegen de tijd dat het grote kristal (dat we een sneeuwvlok noemen) de wolk heeft verlaten, schat Libbrecht dat het het water van ongeveer 100.000 nabijgelegen druppeltjes heeft opgenomen.
Dat klinkt misschien allemaal eenvoudig, maar zoals Libbrecht en andere wetenschappers hebben ontdekt, kunnen kleine veranderingen in de omstandigheden van deze kristallen - de luchtvochtigheid en temperatuur van de wolk, om te beginnen - leiden tot radicaal verschillend ogende schilfers. Om deze dynamiek beter te begrijpen, besefte Libbrecht, had hij een manier nodig om het feitelijke groeiproces van sneeuwvlokken te observeren. Zonder een manier om zichzelf in te bedden in een zwevende wolk, besloot hij een methode te ontwikkelen voor het kunstmatig kweken van sneeuwvlokken in zijn laboratorium in Californië.
"Het is niet eenvoudig om een individueel kristal zo te laten groeien dat het op een sneeuwvlok lijkt", zegt hij. "Als je vorst wilt - gewoon een bos kristallen die allemaal tegelijk groeien - is dat vrij eenvoudig, maar individuele kristallen zijn lastiger."
Het proces van Libbrecht, dat de afgelopen jaren is ontwikkeld, gebeurt in een koude kamer en duurt in totaal ongeveer 45 minuten. Hij begint met een volledig schoon stuk glas en strooit er veel microscopische ijskristallen op. Met een microscoop isoleert hij een bepaald kristal en blaast vervolgens iets warmere vochtige lucht op het glas. De waterdamp condenseert op het zaadkristal, net als in een echte wolk, en vormt uiteindelijk een zichtbare sneeuwvlok.
Libbrecht heeft met dit proces de temperatuur- en vochtigheidsniveaus bepaald die tot elk soort sneeuwvlok leiden. "Ik noem ze 'designer sneeuwvlokken', omdat je de omstandigheden kunt veranderen terwijl je ze kweekt en voorspelt hoe ze eruit zullen zien, " zegt hij. Hij ontdekte onder andere dat een sneeuwvlok met een dunne rand sneller groeit, waardoor de rand nog verder verscherpt, wat uiteindelijk leidt tot een relatief grote schilfer. Sneeuwvlokken die beginnen met bottere randen, groeien echter langzamer en blijven bot, wat leidt tot blokachtige prisma's in plaats van elegante platen.
Toen Libbrecht uiteindelijk een boek over zijn werk wilde publiceren, ontdekte hij dat, hoewel ze goed waren voor hun tijd, de meeste foto's met beschikbare sneeuwvlokken verouderd waren, zoals die van Wilson Bentley in de jaren dertig. In reactie daarop begon hij ze zelf in hoge resolutie te fotograferen, met behulp van gespecialiseerde apparatuur en soms gekleurde lichten om de heldere schilfers meer kleur en diepte te geven.
Hoe zit het met het gemeenschappelijke idee dat geen twee sneeuwvlokken hetzelfde zijn? "Iedereen vraagt me dat altijd", zegt Libbrecht.
Het antwoord, zo blijkt, is een wiskundig probleem. Als je een sneeuwvlok definieert als slechts tien moleculen water, dan is het mogelijk dat twee verschillende vlokken identiek zijn op moleculair niveau. Maar voor een full-size vlok, zegt hij, is het uiterst onwaarschijnlijk dat je twee identieke exemplaren die van nature voorkomen fijn vindt - op dezelfde manier dat de kansen op twee identieke menselijke vingerafdrukken buitengewoon klein zijn. "Als je dingen een beetje ingewikkeld begint te maken, groeit het aantal mogelijkheden astronomisch, en de kans dat je zelfs twee sneeuwvlokken hebt die op elkaar lijken, daalt tot nul", zegt hij.
