Entrevista a Kenneth Libbrecht: Una gran teoría unificada de los copos de nieve

Las NIEVES en Pasadena, California, son tan raras que casi nunca se han oído hablar de ellas. Excepto, claro está, en el Instituto de Tecnología de California, donde Kenneth Libbrecht puede evocarlo utilizando el equipo para fabricar copos de nieve más sofisticado del mundo.

Como físico, Libbrecht ha abordado algunas cuestiones bastante épicas, como la naturaleza de las ondas gravitacionales y el funcionamiento interno del sol. Pero también tiene una actividad secundaria encantadora en el ciencia de los copos de nieveque son mucho más complejo y misterioso de lo que piensas. Una de las mayores preguntas sin respuesta sobre ellos es por qué parecen venir en dos tipos distintos.

Libbrecht emprendió una odisea de 20 años para resolver este misterio. Recientemente publicó los frutos de ese viaje en forma de una monografía que tiene más de 500 páginas. Contiene una especie de gran teoría unificada de los copos de nieve, que explica por primera vez cómo y por qué crecen hasta adquirir las delicadas formas que adquieren.

Joshua Howgego: ¿Qué te interesó en los copos de nieve?

Kenneth Libbrecht: Un día estaba hablando con uno de mis alumnos y empezamos a hablar sobre cómo los cristales crecen y toman formas. Empezamos a pensar qué podríamos estudiar en esta área y pensé: bueno, el agua sería barata y fácil. Entonces pensé: en realidad, esa sería la física de los copos de nieve, me pregunto cómo funciona eso. No es por nada, solo tenía curiosidad, comencé a leer sobre investigaciones sobre los copos de nieve y lo encontré realmente fascinante.

¿Cuál fue la gran pregunta sobre los copos de nieve?

Los copos de nieve estándar que se ven en las decoraciones navideñas (de seis puntas, delgados y planos) bueno, no siempre se forman así. Además de placas delgadas y hexagonales, pueden crecer hasta convertirse en columnas altas y hexagonales, como la forma de un lápiz en miniatura. En Japón se descubrió en la década de 1930 que estas dos formas de copos de nieve se formaban a diferentes temperaturas. Las placas se formarán alrededor de -2°C, las columnas alrededor de -5°C y luego las placas nuevamente alrededor de -15°C. Es un patrón tan loco que se mueve de un lado a otro de esa manera. Realmente quería saber por qué sucede, pero resultó que no había respuesta: era un completo misterio.

¿Cómo investigaste este enigma?

Decidí que la forma de responder a esta pregunta era cultivar sistemáticamente muchos copos de nieve en diferentes condiciones y medir su crecimiento. Esto fue hace 20 años y durante varios años seguí teniendo problemas y no logré ningún progreso. Al final descubrí que todo el experimento tenía que estar encerrado en una caja. Se añade vapor de agua, pero las condiciones, como la temperatura y la presión, deben controlarse con precisión. Tengo todas estas pequeñas varillas dentro de la caja que uso para empujar cosas y encenderlas y apagarlas. Entonces pude hacer crecer cristales; en su mayoría crecí cristales más pequeños que el ancho de un cabello humano y luego los estudié bajo un microscopio. Si crecen demasiado, su forma es demasiado complicada para estudiarlos fácilmente.

Usted publicó recientemente lo que se ha llamado una gran teoría unificada de los copos de nieve.

La gente siempre había pensado que si un cristal tiene una superficie plana, siempre crece de la misma manera en determinadas condiciones. Lo que descubrí es que en los copos de nieve, el tamaño de la superficie importa bastante. Si imaginas un copo de nieve hexagonal en forma de placa, tiene dos superficies anchas y luego seis superficies mucho más delgadas alrededor del borde. Resulta que esas superficies más delgadas crecen mucho más rápido que las superficies más anchas, y esto crea un efecto desbocado en el que se obtienen placas cada vez más delgadas. Lo divertido es que esta tendencia se invierte: a determinadas temperaturas, son las superficies más anchas las que crecen más rápido, por lo que se obtienen cristales en forma de columnas.

Para comprender esto completamente, es necesario profundizar en los detalles sobre la estructura molecular de la superficie del cristal de hielo y cómo cambia con la temperatura en diferentes superficies. Hasta ahora, mi modelo parece ajustarse a todos los datos, por lo que es alentador que al menos parte del misterio haya sido resuelto.

¿Su trabajo nos dice algo sobre cómo sería la nieve en otros mundos, como Encelado, la luna helada de Saturno?

La difusión de las moléculas de agua a través del aire afecta el crecimiento de los copos de nieve de una manera que refuerza los efectos moleculares para crear los bordes delgados que se ven en los cristales en forma de placas y de columnas huecas. Cuando cultivo cristales en el vacío, nada de esto sucede. Entonces, sí, habría diferencias en la nieve en otros planetas. Si no hay atmósfera, se obtendrán cristales en bloques, pero a alta presión se obtendrán cristales increíblemente delgados. Por supuesto, la química de la atmósfera también podría cambiar esto, de maneras difíciles de predecir.

También te han crecido dos copos de nieve idénticos. Pensé que se suponía que eso era imposible.

Esto comenzó cuando, al principio de mi trabajo con los copos de nieve, me di cuenta de que no había buenos vídeos de copos de nieve creciendo. Quería hacer uno que mostrara un cristal de aspecto perfecto. Finalmente, descubrí cómo hacer crecer cristales sobre un soporte fijo y filmarlos. Se veían mucho mejor que los cristales que caen del cielo. Eran más nítidos, más nítidos. Los copos de nieve reales han tenido una vida bastante dura, cayendo a través de la atmósfera y chocando contra otros copos. También han empezado a evaporarse, por lo que los bordes siempre quedan un poco redondeados.

Sin embargo, en el laboratorio puedo girar perillas para controlar las condiciones exactamente (incluso puedo cambiar ligeramente las cosas para hacer que los cristales en crecimiento se ramifiquen) y así puedo obtener estos copos de nieve de diseño. Luego me di cuenta de que si cultivas dos copos de nieve uno al lado del otro en la caja y los cultivas al mismo tiempo, en las mismas condiciones, salen muy similares. Todo el mundo parece haber oído ese viejo dicho de que no hay dos copos de nieve iguales, pero este loco está haciendo copos de nieve que son iguales.

¿Qué tipo de preguntas quedan todavía sin respuesta en lo que respecta a los copos de nieve?

Mi modelo es muy complicado. Pero hace muchas predicciones y quiero probarlas, ver qué sucede y, con suerte, perfeccionar el modelo. Una de las predicciones es que podrían suceder cosas interesantes con los copos de nieve cerca de su punto de fusión. Es posible que veas lo que se llama prefusión, donde la mayor parte del copo de nieve es un cristal rígido, pero en la superficie las moléculas se desordenan. He estado tratando de explorar eso. También estoy intentando hacer cristales más grandes; Me gustaría hacer el copo de nieve más grande del mundo. Sin ninguna razón en particular… siempre hay algo nuevo que probar.

Cuando sales a la nieve estos días, ¿la ves bajo una nueva luz?

Crecí en Dakota del Norte, donde hace mucho frío y hay mucha nieve. Solía ​​ver copos de estrellas de seis puntas, grandes, pero no sabía nada de esto. Ahora sé mucho mejor qué buscar. Saldré, tomaré una lupa y buscaré diferentes tipos de escamas, como columnas rematadas, por ejemplo, que son como un híbrido especial de los tipos de placa y columna. Yo lo llamo observar los copos de nieve. Lo curioso es que mi esposa es botánica y cuando salimos juntos siempre está mirando las diferentes plantas, pero a mí todas me parecen malas hierbas.