Een vraag van een lezer: waarom zijn de takken van een sneeuwvlokje onderling identiek? Met andere woorden, waarom vertakken ze op dezelfde plaatsen?
Ik dacht dat ik een goed idee had, en dat heb ik gechecked bij een prof ‘vaste stof chemie’. Water in de wolken is ijskoud, maar gasvormig. Op het moment dat de concentratie water hoog genoeg wordt vallen ze als ijsklontjes naar beneden en op een warme dag zullen ze smelten tot hele kleine druppels. Deze druppels willen een klein oppervlak ten opzichte van hun inhoud en groeien (clusteren) tot volwaardige druppels. Dit noemen wij ‘regen’.
Ik weet niet precies waar in de lucht, en bij welke omstandigheden, maar het blijkt dat sneeuvlokjes op soortgelijke manier ontstaan. Op een koude dag zullen de kleine ijsklontjes naar beneden vallen en niet smelten tot kleine druppels. Ze zullen ijskoude watermoleculen tegenkomen. Die moleculen zullen aan het ijsklontje vast groeien. Onder bepaalde omstandigheden zullen die moleculen op een bepaalde manier aangroeien, maar omdat de druk, temperatuur en nog wat andere dingen varieren tijdens de ‘val’, zullen ze anders aangroeien.
Dit vergt wat inbeeldingsvermogen: een ‘perfect’ zeshoekig (prisma-vormig) waterkristalletje groeit aan. Eerst groeien er 6 gelijke puntjes op de grensvlakken aan, de omstandigheden (temperatuur) verandert iets, er groeien op de 6 puntjes 6 gelijke vriemeltjes aan. Aan die vriemeltjes groeien weer 6 identieke andere vriemeltjes aan en zo groeit het sneeuwvlokje.
Natuurlijk valt het ijsblokje c.q. sneeuwvlokje niet de hele tijd, maar waait wat opzij en omhoog en krijgt zo genoeg tijd om aan te groeien. Dit verklaart dat geen enkel sneeuwvlokje op een ander vlokje lijkt en dat ze allemaal in grootte verschillen, maar dat de 6 takken van een vlokje onderling identiek zijn.
Beantwoord dit je vraag Sidney?
Als ik het goed begrijp is jouw hypothese dat de gelijke aangroei plaatsvindt uit pure symmetrie-overwegingen: beginnend bij een zesvoudig symmetrisch kristal, en gegeven identieke (maar wel in de tijd veranderende) lokale omstandigheden wat betreft temperatuur/druk/luchtvochtigheid, vindt er identieke aangroei plaats over de zes symmetrie-kanten.
Ik vind dit moeilijk te geloven, omdat (zonder feedback / informatieuitwisseling tussen wat er in de zes takken gebeurt) volgens deze hypothese een kleine verstoring in één van de takken meteen zal leiden tot grootschaliger symmetrie-breking bij verdere aangroei, en dat gebeurt nauwelijks. De grote mate van symmetriebehoud suggereert een mechanisme dat kleine, willekeurige verstoringen van de symmetrie ‘herstelt’. Ik denk dan bijvoorbeeld aan een statisch elektrisch veld, dat de polaire watermoleculen op een bepaalde manier aantrekt, en dat over langere afstanden (schaal van het ijskristal) symmetriebehoudend werkt. (Veel handwaving hier, maar het is maar om een denkrichting aan te geven).
Is hier primaire literatuur over?
Ik kan je ook vertellen dat iedereen die ik hier wat over gevraagd heb (toch al wel een paar professoren), zijn verhaal begint met ‘volgens mij is dat nog slecht begrepen.’ Ik zal eens naar echte literatuur zoeken als je niet overtuigd bent.
Ik heb wat artikelen gevonden over snowflakes (Blackford, J.R., Sintering and microstructure of ice: A review, Journal of Physics D: Applied Physics, nov 2007). Uit auteursrechtelijke overwegingen kan ik je die wel persoonlijk verstrekken (dus mail me als je ze wil), maar ik mag ze niet hier publiceren.
De clue is dat het mechanisme wat ik hierboven schets juist is. Sneeuwvlokjes kennen geen (groot/perfect) herstellend vermogen zover ik begreep. Als je een takje zou afbreken, zal het niet meer juist teruggroeien. Als er iets terug groeit, groeien de andere takken ook weer verder en zullen ze niet alle 6 meer gelijk zijn (5 gelijken en 1 kleinere).
Je zegt dat een klein defect al een groot (cumulatief) effect heeft op de rest van de groei. Vergeet niet dat een sneeuwvlokje klein is in vergelijking met de groottedimensies waarin de omstandigheden fluctueren. Om de 10 cm zal de temperatuur hoogstens een tiende graad kunnen verschillen, maar het vlokje heeft een grootte van onder de cm. Misschien een wat suf voorbeeld, maar je begrijpt het punt. Het blijkt waar (lees: bepalend) te zijn.
Er is dus niet zozeer een herstellend mechanisme, als wel dat je denkt dat alle sneeuwvlokjes perfect zijn. Alle geklusterde vlokjes (waaruit sneeuw meestal bestaat) bevatten natuurlijk ook imperfecte 6-takkige sneeuwvlokjes.
De polariteit van watermoleculen in een sneeuwvlokje hebben overigens geen herstellende werking, maar zorgen voor een juiste ‘aangroei’. Lokaal dus, niet over hele lange afstanden. Die polaire werking (Keesom interactie) valt af met een derde macht over de afstand.
Samenvattend in chemische terminologie: “vapour diffusion” en “plastic deformation with power law creep combined with recrystallization”.
Tot slot wil ik opmerken dat de groei van sneeuwvlokjes veel ingewikkelder is dan dat ik in deze blog zou kunnen uitleggen. Er komt stiekem een enorme hoeveelheid fysische chemie bij kijken. Hoe gewone kristallen groeien is goed begrepen, maar dit blijft een complex gebeuren.