Kenneth Libbrecht azon kevesek egyike, aki a tél közepén azért hagyja el dél-kaliforniai otthonát, hogy jóval hidegebb tájakra, Alaszkába utazzon, ahol a hőmérséklet ilyentájt nagyon ritkán emelkedik fagypont fölé. Ha pedig megérkezett, jól beöltözik, és fényképezőgépével, illetve egy kicsi polifoam deszkával kiül a hidegbe, és várja, hogy elkezdjen havazni. A leggyönyörűbb és legtökéletesebb hópelyhek elcsípéséhez ugyanis érdemes minél hidegebb éghajlatra utazni, magyarázza a fizikus.
Libbrecht a Kaliforniai Műszaki Egyetem kutatójaként a Nap belső szerkezetének szakértője, illetve a gravitációs hullámok észlelésére alkalmas detektorok kifejlesztésében is komoly szerepet vállalt. Az utóbbi 20 évben azonban a hó vált a legnagyobb szenvedélyévé, pontosabban annak vizsgálata, miért néznek ki a hópelyhek úgy, ahogy kinéznek.
Azt nagyjából 75 éve tudják a kutatók, hogy a hókristályoknak két fő típusa létezik. Az egyik egy 6 vagy 12 ágú, sík csillag, amelynek minden ágát további ágak borítják. A másik inkább egy oszlopszerű struktúra, amelynek két végén korongok vagy más lapos formák kapnak helyet.
A két szerkezettípus eltérő hőmérsékleten és páratartalom mellett formálódik, de hogy pontosan mi áll létrejöttük hátterében, az még napjainkban is rejtély.
Libbrecht azonban, aki az utóbbi két évtizedben aprólékos munkával elképesztő mennyiségű adatot gyűjtött össze a hópelyhekkel és a hó kristályosodásával kapcsolatban, kidolgozott egy új modellt, amely idővel segíthet megmagyarázni, hogyan zajlik ez a folyamat. A kutató októberben publikálta teóriáját, amelyben a kristályosodás alakulását a közel fagyponton levő vízmolekulák mozgásának környezeti feltételek szerinti alakulásából vezeti le. A kutató utóbbi tanulmány mellett egy méretes könyvet is kiadott, amelyben összefoglalja mindazt, amit a hókristályokról az utóbbi évtizedekben megtudott.
Egyedi kristályok
Ahogy azt bizonyára mindenki tudja, nincs két egyforma hópehely. Ez a tény a kristályok képződésének módjából adódik, amelyek akkor formálódnak, amikor a légkör elég hideg ahhoz, hogy megakadályozza az apró vízcseppek esőcseppekké egyesülését. Bár egy-egy felhőn belül meglehetősen széles határok között változhat a hőmérséklet és páratartalom, ezek a változók egyetlen hópelyhen belül állandónak tekinthetők. Ez az oka annak, hogy a pelyhek általában nagyjából szimmetrikusan növekednek. Ugyanakkor minden hópehely esetében vannak aszimmetrikus tényezők is, például a napfény iránya, a szél és más körülmények, így ezek eredményeként végül minden kristály egy kicsit másként alakul.
A hópelyhek alakjával kapcsolatos első ismert tudományos megállapítások időszámításunk előtt 135-re tehetők Libbrecht kutatásai alapján. Han Jing kínai gondolkodó már ekkor leszögezte, hogy míg a virágok többsége öt csúcsú, a hópelyhek mindig hat csúccsal rendelkeznek. A hópelyhekről írt első tanulmány ugyanakkor Johannes Kepler német tudós nevéhez fűződik, aki 1611-ben II. Rudolf német-római császárnak írt értekezést a hókristályok különös geometriájáról.
Kepler írásában leszögezi, hogy a hatszögletű alak nem lehet pusztán a véletlen műve, és annak minden bizonnyal valami természeti oka van. A tanulmányban idézi Thomas Harriot brit csillagász és természettudós egyik levelét, aki egyebek mellett Walter Raleigh navigátoraként is tevékenykedett. Ahogy Kepler felemlegeti, Harriot 1584 körül megállapította, hogy a leginkább helytakarékosan hexagonális mintázatban lehet elhelyezni az ágyúgolyókat Raleigh hajójának fedélzetén.
Kepler új sejtette, hogy valami ilyesmi állhat a hópelyhek alakja mögött is, vagyis hogy a pelyhek a víz legkisebb természetes egységeit alkothatják.
Kepler meglátása nagyon korai és nagyon értékes észrevétel az atomfizikával kapcsolatban, amely csak 300 évvel később nyert igazolást. Ahogy a 20. században kiderült, a két hidrogén és egy oxigén atomjaiból álló vízmolekulák valóban hajlamosak hexagonális hálózatokba rendeződni. Kepler és társai még nem tudhatták, de ennek oka a hidrogénkötésekben és a molekulák közötti interakciók módjában rejlik.
Ennek a hexagonális szerkezetnek köszönhető, hogy a jég kisebb sűrűségű a folyékony víznél, ami rendkívül fontos bolygónk geokémiája, geofizikája és éghajlata szempontjából is. A szakértők között elég egyhangú a vélemény annak tekintetében, hogy ha a jég nem úszna a vízen, a földi élet nem létezne, vagy legalábbis egészen másként festene, mint amilyen most.
Hófizika
A hópelyhek tanulmányozása még Kepler megfigyelései után is hosszú ideig inkább csak szórakoztató időtöltésnek minősült, nem pedig tudománynak. Voltak azonban néhányan, akik nagyon is komolyan vették ezt a hobbit. Wilson Bentley amerikai fotográfus az 1880-as években elsőként kezdte fotólemezeken megörökíteni a hópelyhek alakját, és összesen több mint 5000 képet rögzített, mielőtt tüdőgyulladásban meghalt volna.
A hókristályok vizsgálatának tudományos szintre hozása Nakaja Ukicsiro nevéhez fűződik. A japán kutató az 1930-as évektől szisztematikusan vizsgálni kezdte a hókristályok különböző formáit, és a század közepére már komoly hólaborral rendelkezett, ahol maga növesztette a pelyheket. Nakaja nyúlszőrszálakon növesztette a jégkristályokat, addig állítgatva a pártartalmi és hőmérsékleti mutatókat, amíg mindkét fő típust mesterien nem tudta növeszteni. Aztán nekilátott ezek altípusait kategorizálni, gondosan jegyezve, hogy milyen strukturális vonások milyen környezethez köthetők.
Nakaja úgy találta, hogy a csillagot formáló pelyhek mínusz 2–15 °C között formálódnak, az oszolopos formák pedig mínusz 5–30 °C között.
A szakértő arra is rájött, hogy alacsony páratartalom mellett a csillagok kevesebb ágat növesztenek és inkább hatszögletű síkidomokra hasonlítanak. Magasabb páratartalomnál viszont finom, csipkeszerű mintákat növesztenek.
Kristálynövesztés felsőfokon
Nakaja úttörő kutatása Libbrecht számára is iránymutató volt. Ahogy Nakaja megállapította, a kristályok akkor nőnek sík csillagokká vagy lapokká (térbeli struktúrák helyett), ha a szélek nagyon gyorsan növekednek kifelé, miközben a forma csak nagyon lassan vastagodik. Az oszlopok esetében viszont a vastagság nagyon gyorsan nő, a szélek irányában viszont jóval lassúbb a gyarapodás. De vajon hogyan befolyásolja mindezt a hőmérséklet és az atomi mozgások alakulása? Ez volt Libbrecht fő kérdése.
A kutató és kollégái ezért a rendelkezésre álló információk alapján nekiláttak kidolgozni a hópelyhek univerzális recepjét, amely révén egy sor egyenlet változóinak behelyettesítésével egy szuperszámítógép által modellezve „legyártható” a hópelyhek azon végtelen varianciája, amit a való világban megtapasztalhatunk.
Libbrecht igazán intenzíven azt követően vágott bele a hópehelykutatásba, hogy megtudta, létezik egy különleges hópehelytípus, amely úgy fest, mintegy üres orsó, vagyis egy olyan oszlopot formál, amelynek a két végén egy-egy korong található. Ilyet ő maga addig sosem látott, és amikor megtudta, hogy létezik ez a típus, érdeklődni kezdett a többi variáns után is, és rövidesen maga is elkezdett fotókat készíteni a pelyhekről, majd kategorizálni azokat. Később pedig maga is elkezdett a laborban hópelyheket növeszteni.
Új elmélete azt foglalja össze, hogy függ a hókristályok növekedésének módja a kiinduló körülményektől és az pelyhet létrehozó molekuláktól. Képzeljük el, hogy egészen picire zsugorodva, egy apró obszervatóriumból figyeljük a vízmolekulák viselkedését a hókristályok képződése alatt. Amikor a vízpára elkezd megfagyni, a szabadon lebegő vízmolekulák laza kristályrácsba kezdenek összeállni, amelyben minden oxigént négy hidrogénatom vesz körül. A kristály növekedése közben újabb és újabb vízmolekulák csatlakoznak a szerkezethez a levegőből.
A gyarapodás két fő irányba történhet: kifelé (vagyis oldalra) vagy a felfelé (illetve lefelé).
A sík, sokszögletű vagy csillagszerű formák akkor formálódnak, ha a szélek adott idő alatt sokkal több molekulát szednek magukra, mint a két lapos felszín. A kristály ilyenkor szétterül. Ha viszont a lapos felszínekre gyűlik több molekula, egy vékony oszlop kezd növekedni, amely egyre magasabb lesz.
Előolvadás
Libbrecht modellje szerint a vízpára molekulái mindkét esetben a kristály szélein telepednek meg, ahol aztán vagy oldalirányban vagy függőlegesen csatlakoznak a rácshoz. Hogy melyik irány „nyer”, azt a felületi hatások és a különböző instabilitások döntik el, amelyek a jelek szerint elsősorban a hőmérséklettől függnek.
Mindez kizárólag a jégben, ebben a nagyon szokatlan ásványban történhet meg, amelyben lejátszódik az „előolvadás” nevű jelenség.
Ennek lényege, hogy a vízjég legkülső rétegei gyakran a folyékonyhoz hasonló, rendezetlen állapotban vannak. Hogy ez a felszíneken és a széleken milyen mértékben történik meg, az a hőmérséklet függvénye, bár még mindig nem teljesen világos, hogy hogyan függ össze a hőfok és furcsa jelenség.
Libbrecht szerint mindenesetre ez játszhat szerepet a hópelyhek növekedésének alakulásában is, vagyis a hőmérséklet befolyásolja, hogy az előolvadás mértéke milyen a széleken, illetve a felszíneken, ez pedig meghatározza, hogy melyik irányba fog elsősorban növekedni a kristályszerkezet. Az új modell a szakértő elmondása szerint szemi-empirikus, vagyis a megfigyelések magyarázatára szolgál, nem pedig a hópelyhek alapelvek alapján való növesztésére. Utóbbit ugyanis egyelőre lehetetlenné teszi a számtalan molekuláris kölcsönhatás és instabilitás felderítésének képtelensége.
Kristályok rendelésre
Bár a jég sok szempontból eltér a többi anyagtól, a kristályképződés kapcsán tett megfigyelések és kutatások a szilárd anyagokkal kapcsolatban általában is érdekesek lehetnek. Egyes hatóanyagok, félvezető chipek, napelemek és egy sor egyéb dolog működése alapul ilyen-olyan természetes vagy mesterséges kristályszerkezeteken.
Meenesh Singh, az Illinois-i Egyetem kutatója például oldatban növeszt kristályokat, szemben Libbrecht és csapata halmazállapot-változáson alapuló kísérleteivel. Az előbbi során kristályosítani kívánt anyagot vízben vagy más folyadékban oldják, majd a hőmérséklet módosításával és esetleg más anyagok hozzáadásával kristályosítanak gyógyszermolekulákat vagy növesztenek a napelemekhez szükséges kristályokat.
Singh elmondása szerint a kristálynövekedés kapcsán minden új információ kincset ér, mivel egyelőre a folyamattal kapcsolatos minden információnk empirikus alapú, vagyis azért tudjuk, mert valaki egy kísérlet során megfigyelte azt. A háttérben zajló események, vagyis hogy az oldatból egy-egy molekula hogyan, miért és hova épül bele a kristályba, azonban továbbra is rejtélyt jelentenek.
Libbrecht azt reméli, hogy egyre jobb kísérleti elrendezésekkel és számítógépes modellekkel a következő években ezekre a kérdésekre is választ találhat, és idővel eljöhet az az időszak, amikor a kvantummechanikai szintig teljesen érthetővé és szabályozhatóvá válik a kristályosodási procedúra. Azt a szakértő sem gondolja, hogy ez az ő életében megvalósulhat, de bízik benne, hogy elérkezik a nap, amikor a jövő kutatói többek közt olyan hópelyheket gyárthatnak, amilyet éppen akarnak.
