Os cristais de neve vêm em dois tipos principais. O “papa” da física dos flocos de neve tem uma nova teoria que explica o porquê.
Kenneth Libbrecht é aquela pessoa rara que, no meio do inverno, sai alegremente do sul da Califórnia para um lugar como Fairbanks, no Alasca, onde as temperaturas no inverno raramente sobem acima de zero. Lá, ele veste uma jaqueta e senta-se em um campo com uma câmera e um pedaço de tábua de espuma, esperando a neve.
Especificamente, ele procura os cristais de neve mais brilhantes, mais nítidos e bonitos que a natureza pode produzir. Flocos superiores tendem a se formar nos lugares mais frios, diz ele, como Fairbanks e o norte nevado de Nova York. A melhor neve que ele encontrou foi em Cochrane, no nordeste remoto de Ontário, onde há pouco vento para bater nos flocos de neve enquanto caem no céu.
Instalado nos elementos, Libbrecht examina seu quadro com a paciência de um arqueólogo, procurando flocos de neve perfeitos e outros cristais de neve. “Se houver uma ótima por lá, seu olho vai encontrar”, disse ele. “Se não, você apenas descarta isso e faz isso por horas.”
Libbrecht é físico. Seu laboratório no Instituto de Tecnologia da Califórnia investigou a estrutura interna do sol e desenvolveu instrumentos avançados para a detecção de ondas gravitacionais. Mas há 20 anos, a paixão de Libbrecht tem sido a neve – não apenas sua aparência, mas também o que faz com que ela pareça do jeito que está. “É um pouco embaraçoso quando as coisas caem do céu e é como, ‘Por que parece assim? Bate-me “, disse ele.
Há 75 anos, os físicos sabem que os pequenos cristais na neve se encaixam em dois tipos predominantes. Uma é a icônica estrela plana, com seis ou 12 pontos, cada uma decorada com galhos de renda correspondentes em uma variedade estonteante de possibilidades. A outra é uma coluna, às vezes imprensada por tampas planas e às vezes semelhante a um parafuso de uma loja de ferragens. Essas formas diferentes ocorrem em diferentes temperaturas e umidade, mas a razão para isso tem sido um mistério.
Ao longo dos anos, as observações meticulosas de Libbrecht produziram insights sobre o processo de cristalização da neve. “Ele certamente é o papa no domínio”, disse Gilles Demange, cientista de materiais da Universidade de Rouen, na França, que também estuda cristais de neve.
Agora, o trabalho de Libbrecht sobre a neve se cristalizou em um novo modelo que tenta explicar por que os flocos de neve e outros cristais de neve se formam dessa maneira. Seu modelo, detalhado em um artigo publicado on-line em outubro, descreve a dança das moléculas de água perto do ponto de congelamento e como os movimentos específicos dessas moléculas podem explicar a panóplia de cristais que se formam sob diferentes condições. Em uma monografia separada de 540 páginas, Libbrecht descreve todo o conhecimento sobre cristais de neve. Douglas Natelson, físico de matéria condensada da Universidade Rice, chamou a nova monografia de “tour de force”.
“Como um trabalho”, disse Natelson, “garoto, é lindo”.
Estrelas de seis pontas
Todo mundo sabe que não há dois flocos de neve iguais, um fato que decorre da maneira como os cristais cozinham no céu. A neve é ??um aglomerado de cristais de gelo que se formam na atmosfera e mantêm sua forma à medida que caem coletivamente sobre a Terra. Eles se formam quando a atmosfera é fria o suficiente para impedir que se fundam ou derretam e se tornem granizo ou chuva.
Embora uma nuvem contenha multidões de temperaturas e níveis de umidade, essas variáveis ??são tão boas quanto constantes em um único floco de neve. É por isso que o crescimento do floco de neve é ??frequentemente simétrico. Por outro lado, todo floco de neve é ??golpeado pela mudança dos ventos, luz solar e outras variáveis, observa Mary Jane Shultz, uma química da Universidade Tufts que publicou um ensaio recente sobre a física dos flocos de neve. À medida que cada cristal se submete ao caos de uma nuvem, todos assumem formas ligeiramente diferentes, explica ela.
As primeiras reflexões registradas sobre essas formas delicadas datam de 135 a.C. na China, de acordo com a pesquisa da Libbrecht. “Flores de plantas e árvores geralmente têm cinco pontas, mas as da neve, chamadas de ying, sempre têm seis pontas”, escreveu o estudioso Han Yin. Mas o primeiro cientista a tentar entender por que isso acontece foi provavelmente Johannes Kepler, o cientista e polímata alemão.
Em 1611, Kepler ofereceu um presente de Ano Novo ao seu patrono, o Sacro Imperador Romano Rudolf II: um ensaio chamado “O Floco de Neve de Seis Cantos”. Kepler escreve que notou um floco de neve na lapela ao atravessar a Ponte Carlos de Praga e não pôde ajudar, mas refletir sobre sua geometria. “Deve haver uma razão pela qual a neve tem a forma de uma estrela de seis pontas. Não pode ser um acaso ”, escreveu ele.
Ele teria lembrado uma carta de seu contemporâneo Thomas Harriot, um cientista e astrônomo inglês que, entre muitos papéis, serviu como navegador para o explorador Sir Walter Raleigh. Por volta de 1584, Harriot procurou a maneira mais eficiente de empilhar balas de canhão nos convés dos navios de Raleigh. Os padrões hexagonais pareciam a melhor maneira de juntar as esferas, Harriot descobriu, e ele correspondeu com Kepler. Kepler se perguntou se algo semelhante estaria ocorrendo nos flocos de neve e se os seis lados poderiam estar presos ao arranjo da “menor unidade natural de um líquido como a água”.
Foi uma visão inicial notável da física atômica, que não seria formalizada por mais 300 anos. De fato, moléculas de água, com seus dois hidrogênios e um oxigênio, tendem a se unir para formar matrizes hexagonais. Kepler e seus contemporâneos não sabiam o quanto isso importa. “Devido à ligação do hidrogênio e aos detalhes de como as moléculas interagem, você tem essa estrutura de cristal comparativamente aberta”, disse Natelson. Além de ajudar a cultivar flocos de neve, essa estrutura hexagonal torna o gelo menos denso que a água líquida, o que afeta enormemente a geoquímica, a geofísica e o clima. Segundo Natelson, se o gelo não flutuasse, “a vida na Terra não seria possível”.
Após o tratado de Kepler, a observação do floco de neve permaneceu mais um hobby do que uma ciência. Na década de 1880, um fotógrafo americano chamado Wilson Bentley – da vila fria e produtora de neve de Jericho, Vermont – começou a fazer as primeiras imagens de cristal de neve usando placas fotográficas. Ele produziu mais de 5.000 imagens antes de finalmente sucumbir à pneumonia.
Então, na década de 1930, o pesquisador japonês Ukichiro Nakaya iniciou um estudo sistemático dos diferentes tipos de cristais de neve. Em meados do século, Nakaya estava produzindo flocos de neve em um laboratório, usando pêlos de coelho individuais para suspender os cristais de gelo no ar refrigerado, onde eles podiam se transformar em flocos de neve de pleno direito. Ele mexeu nas configurações de umidade e temperatura para fazer crescer os dois principais tipos de cristais e montou seu catálogo seminal de formas possíveis. Nakaya descobriu que as estrelas tendem a se formar a -2 graus Celsius e a -15 C. As colunas se formam a -5 C e novamente a cerca de -30 C. Em baixa umidade, as estrelas formam poucos galhos e se assemelham a placas hexagonais, mas em alta umidade, as estrelas se tornam desenhos mais intricados e rendados.
Segundo Libbrecht, o motivo das várias formas de cristal também começou a se destacar após o trabalho pioneiro de Nakaya. Os cristais crescem em estrelas e placas planas (em vez de estruturas tridimensionais) quando as bordas crescem rapidamente para fora enquanto as faces crescem lentamente para cima. As colunas delgadas crescem de maneira diferente, com rostos de crescimento rápido e bordas de crescimento mais lento.
Mas os processos atômicos subjacentes que determinam se os cristais de neve terão a forma de estrelas ou colunas permanecerão opacos. “O que muda com a temperatura?”, Disse Libbrecht. “Eu tenho tentado juntar tudo isso.”
Receita do floco de neve
Libbrecht e o quadro muito pequeno de pesquisadores que estudam esse problema tentam criar uma receita de floco de neve – um conjunto de equações e parâmetros que podem ser alimentados em um supercomputador que cuspiria a esplêndida variedade de flocos de neve nós realmente vemos.
Libbrecht assumiu a busca há duas décadas, depois de aprender sobre a forma exótica de floco de neve chamada de coluna tampada. Parece um carretel vazio, ou duas rodas e um eixo. Como natural de Dakota do Norte, ele ficou chocado, imaginando: “Como eu nunca tinha visto um desses?” Fascinado com as infinitas formas de neve, ele começou a entender a natureza deles para um livro de ciência popular que publicou mais tarde e começou a tomar fotos também. Logo, ele estava mexendo no equipamento de produção de flocos de neve em seu laboratório. Seu novo modelo é o resultado de observações feitas ao longo de décadas que, segundo ele, começaram recentemente a gelificar.
Sua principal inovação foi uma idéia chamada difusão molecular impulsionada pela energia da superfície, que descreve como o crescimento de um cristal de neve depende das condições e do comportamento inicial das moléculas que o formam.
Imagine moléculas de água dispostas de maneira vaga, já que o vapor d’água começa a congelar. Se você estivesse vendo isso de algum modo em um minúsculo observatório, veria as moléculas de água gelada começarem a formar uma estrutura rígida, com cada átomo de oxigênio cercado por quatro átomos de hidrogênio. Esses cristais crescem incorporando moléculas de água do ar circundante em seu padrão. Eles podem crescer em duas direções principais: para cima ou para fora.
Um cristal fino e plano (em forma de placa ou em forma de estrela) se forma quando as bordas se prendem ao material mais rapidamente do que as duas faces do cristal. O cristal crescente se espalhará para fora. No entanto, quando suas faces crescem mais rapidamente do que suas bordas, o cristal cresce mais alto, formando uma agulha, coluna ou haste oca.
De acordo com o modelo de Libbrecht, o vapor de água primeiro se deposita nos cantos do cristal e depois difunde-se sobre a superfície, na borda ou nas faces do cristal, fazendo com que o cristal cresça para fora ou para cima, respectivamente. Qual desses processos vence à medida que vários efeitos de superfície e instabilidades interagem dependem principalmente da temperatura.
Tudo isso acontece apenas no gelo, um mineral incomum, devido a um fenômeno chamado “pré-derretimento”. Como o gelo d’água geralmente é encontrado próximo ao seu ponto de derretimento, as poucas camadas superiores são semelhantes a líquidos e desordenadas. A pré-fusão ocorre de maneira diferente nas faces e nas bordas em função da temperatura, embora os detalhes não sejam completamente compreendidos. “Esta é a parte do modelo em que eu apenas componho roupas”, disse Libbrecht – embora ele diga que o quadro físico geral parece plausível.
Seu novo modelo é “semi-empírico”, parcialmente ajustado para corresponder às observações, em vez de explicar o crescimento do floco de neve a partir inteiramente dos primeiros princípios. As instabilidades e as interações entre inúmeras moléculas são muito complicadas para serem totalmente desvendadas. Mas ele espera que suas idéias constituam a base de um modelo abrangente de dinâmica de crescimento de gelo que possa ser concretizado por medições e experimentos mais detalhados.
Embora o gelo seja especialmente estranho, questões semelhantes surgem na física da matéria condensada de maneira mais geral. Moléculas de medicamentos, chips semicondutores para computadores, células solares e inúmeras outras aplicações dependem de cristais de alta qualidade, e grupos inteiros de pesquisadores se concentram no básico do crescimento de cristais.
Meenesh Singh é um desses pesquisadores, na Universidade de Illinois, Chicago. Em um artigo recente, Singh e um co-autor identificaram um novo mecanismo que pode estar subjacente ao crescimento de cristais em solventes, em oposição à cristalização de mudança de fase da neve e gelo de Libbrecht. Na cristalização de solventes, os materiais sólidos são dissolvidos em uma solução como água ou outro líquido. Ajustando a temperatura e adicionando outros solventes, os fabricantes podem cristalizar novas moléculas de medicamentos ou produzir novos cristais para células solares, e assim por diante.
“Todas as aplicações relacionadas ao crescimento de cristais são tratadas empiricamente”, disse Singh. “Você tem certos dados empíricos e, usando essas informações, tenta explicar como um cristal cresceria”. Mas não está claro, ele disse, como uma molécula na solução se integra a um cristal. “O que realmente leva uma molécula a fazer isso? Por que eu iria a um cristal? Se você começar a pensar, isso cria muitas perguntas, e essas perguntas não são abordadas. ”
Libbrecht acredita que melhores experiências e simulações de computador mais sofisticadas responderão a muitas perguntas sobre o crescimento de cristais nos próximos anos. “Algum dia, você será capaz de criar um modelo molecular inteiro até o átomo e ver esses fenômenos acontecendo, até a mecânica quântica”, disse ele.
Enquanto ele tenta desvendar a física, ele ainda gosta da fotografia de cristais de neve e das viagens que a acompanham. Mas ultimamente, ele ficou no ensolarado sul da Califórnia, onde montou um sistema sofisticado para cultivar flocos de neve em seu laboratório. Aos 61 anos, ele está se aproximando da aposentadoria, o que significa, disse ele, “estou jogando fora os grilhões dos meus outros empregos. Só vou fazer gelo a partir de agora. “
Publicado em 21/12/2019
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