Complessi e delicati, i fiocchi di neve sono un capolavoro della Natura. Per rendersene conto, basta raccoglierli sul palmo della mano durante una nevicata. Osservando con attenzione, potremo notare molti piccoli cristalli, alcuni visibili ad occhio nudo e altri così piccoli da richiedere una lente o persino un microscopio. Ciascun cristallo è un meraviglioso esempio di simmetria e geometria naturale, e non ne esistono due uguali, come recita anche un detto famoso. Ma come si formano questi stupendi gioielli naturali, fra i simboli più famosi dell'inverno e del Natale? I ricercatori hanno scoperto che il segreto dei cristalli di neve nasce da un complesso equilibrio di fenomeni chimici e fisici, che agiscono su ingredienti del tutto comuni, come acqua e granelli di polvere. Per capire meglio la curiosa scienza dei cristalli di neve, l'American Chemical Society (ACS) ha realizzato di recente un apposito video divulgativo in occasione del Natale e che potete vedere insieme a questo articolo. I fenomeni responsabili dei cristalli di neve sono infatti molto complessi e non ancora dei tutto chiari, e vi sono ricercatori che ne studiano le proprietà in laboratorio. Studiare la fisica dei solidi cristallini ha infatti molte applicazioni tecnologiche, a partire dallo studio e sviluppo di materiali di nuova generazione. E, fra i molti cristalli presenti in Natura, quelli di neve hanno certamente sempre esercitato un grande fascino sugli scienziati di ogni epoca.
Dai pianeti alla neve. Uno dei primi a studiare i cristalli di neve in modo scientifico fu Johannes Kepler (italianizzato in Keplero), conosciuto da tutti per le sue tre famose leggi sul moto dei pianeti. Ma non molti sanno che nel 1611 Keplero pubblicò un trattato sui fiocchi di neve, nel quale egli cercava di fornire una spiegazione alla loro simmetria esagonale. L'astronomo austriaco suggerì infatti che la forma dei cristalli potesse essere legata all'impacchettamento di piccole sfere di ghiaccio. Keplero infatti non conosceva ancora la reale struttura atomica dei cristalli, che fu osservata per la prima volta solo 300 anni dopo grazie alla cristallografia a raggi X. Non molti anni dopo Keplero, anche Cartesio si occupò di studiare la natura dei fiocchi di neve, componendo una raccolta di disegni di come apparivano i cristalli ad occhio nudo. Per avere le prime immagini microscopiche dettagliata fu infatti necessario attendere l'opera di Robert Hooke, che nella seconda metà del Seicento realizzò moltissime osservazioni al microscopi. La sua opera Micrographia, una grande raccolta di disegni realizzati al microscopio, contiene molte raffigurazioni dei cristalli di neve e della loro intricata struttura.
Cavalcando un fiocco di neve. In base a quanto sappiamo oggi, le minuscole strutture visibili in un fiocco di neve sono infatti il prodotto di un lento processo di formazione a partire da una piccola quantità di vapore acqueo presente nell'alta atmosfera. Infatti, contrariamente a quanto si può immaginare, i cristalli di neve non si formano da gocce di pioggia congelate. In questi casi si parla piuttosto di nevischio, e i processi fisici in gioco sono troppo veloci per creare un cristallo di neve. Se invece potessimo scendere a cavallo di un fiocco di neve e seguirne la formazione, che cosa vedremmo? La storia di un cristallo di neve inizia nelle nubi in alta quota, formate da un miscuglio di gocce d'acqua. In particolare, le nubi presenti nei periodi invernali possono contenere moltissime gocce d'acqua allo stato liquido, sebbene la temperatura possa raggiungere parecchi gradi sotto lo zero. E' una condizione che i fisici chiamano sottoraffreddamento, nella quale una sostanza in condizioni particolari di purezza ed di equilibrio, può scendere sotto la propria temperatura di congelamento e restare liquida. Nelle nubi invernali i ricercatori hanno calcolato che le gocce d'acqua possono restare liquide anche a temperature di -20 °C o inferiori. Tuttavia, come ricordano gli scienziati dell'ACS, la presenza di piccole particelle di pulviscolo atmosferico contribuisce a rompere questo equilibrio. Le minuscole gocce d'acqua, grandi alcuni millesimi di millimetro, congelano quindi intorno ai granelli di polvere, creando così un nucleo cristallino che agisce da "seme" per il futuro cristallo di neve.
Questione di simmetria. Guardando i cristalli di neve si può riconoscere il nucleo originario, anche se serve l'aiuto di un microscopio. Man mano che questo nucleo si muove attraverso l'aria, cattura altre goccioline d'acqua, che congelano lentamente facendo crescere il cristallo. Lo studio della chimica e della fisica dei cristalli ci ha infatti insegnato che le molecole di acqua, formate da un atomo di ossigeno e due atomi di idrogeno, si dispongono nel ghiaccio seguendo una struttura reticolare esagonale. E' per questo motivo che la simmetria esagonale è così comune nei cristalli di neve, sebbene esistano cristalli di forma allungata. Man mano che il cristallo di neve diventa più grande, può assumere forme sempre più complesse, sviluppando ad esempio diverse ramificazioni dette dendriti.
Un mix di temperatura e umidità. La forma e la lunghezza di questi "rami" dipendono sia dalla temperatura che dall'umidità dell'aria in cui si muove il cristallo di neve. A pochi gradi sottozero i cristalli hanno le forme più semplici, mentre scendendo a -5° C iniziano a formarsi strutture a forma di ago. A temperature ancora più basse, ad esempio a -15° C è possibile trovare nuovamente forme piatte e a forma di stella, e scendendo ancora diventa possibile la formazione strutture a colonna. I dettagli sulla formazione delle varie strutture non sono ancora completamente chiari, ma si sa ad esempio che le zone più appuntite sono quelle in cui è più facile raccogliere nuove molecole d'acqua e dove quindi nasceranno nuove ramificazioni. L'incontro con fronti di aria calda e successivamente aria fredda contribuisce alla crescita di ramificazioni secondari e, man mano che il cristallo scende verso regioni più calde, la crescita rallenta progressivamente. Anche l'umidità gioca un ruolo importante nella crescita dei cristalli. Se l'umidità è bassa si formano strutture esagonali più semplici, mentre se l'umidità è maggiore si formano ramificazioni più strutturate, che risultano nelle meravigliose forme che possiamo osservare. Con il passare del tempo, i cristalli possono diventare sempre più grandi, raggiungendo anche alcuni millimetri di grandezza. Gli scienziati hanno persino messo a punto un sistema di classificazione, pubblicato nel 1951 dalla Commissione Internazionale per la neve e il ghiaccio. In base a questa classificazione, i cristalli di neve sono suddivisi in sette classi principali, fra cui quelli piani, quelli a forma di stella, di colonna o di ago.
Non ne esistono due uguali? Secondo un detto popolare, non esistono due fiocchi di neve uguali. Su questo, gli scienziati sono d'accordo, come si può immaginare considerando i numeri in gioco. Un cristallo di neve contiene in media un miliardo di miliardi di molecole, ed è quindi altamente improbabile che questo enorme ammasso di molecole produca due disposizioni esattamente identiche. Naturalmente se consideriamo la struttura globale di un cristallo di neve, è invece possibile che per i cristalli più semplici esistano casi di somiglianza. Se invece pensiamo ai cristalli più complessi, la situazione si complica parecchio. Se consideriamo un cristallo che contiene circa 100 strutture ramificate, il numero di possibili disposizioni di questi rami è molto più grande degli atomi nell'intero Universo! Tuttavia, in passato c'è stato chi ha provato a verificare l'esistenza di cristalli di neve identici. Come Wilson Bentley, un contadino americano vissuto fra l'Ottocento e il Novecento, che per tutta la vita fotografò migliaia di cristalli di neve. Sebbene si stima che ne abbia fotografati circa 5 mila, duemila vennero pubblicati nel 1931 nella raccolta "Snow Crystals", ancora oggi in stampa. Esiste persino un sito web che raccoglie alcune delle immagini più belle raccolte da Bentley. C'è poi chi ha imparato a crearli in laboratorio, come li fisico nucleare giapponese Ukichiro Nakaya, che dal 1932 condusse uno studio sistematico dei cristalli di neve, riuscendo a crearli in laboratorio in condizioni controllate. I metodi di Nakaya sono stati seguiti e raffinati da molti ricercatori in tutto il mondo, che ancora oggi studiano il complesso processo di formazione dei cristalli di neve.
100% naturale. Se c'è una lezione che ci insegnano I fiocchi di neve, è che per crearli serve un lento e complesso processo, che non si può copiare facilmente. La neve artificiale, ad esempio, non contiene cristalli, ma solo agglomerati di gocce congelate. Ciascun fiocco di neve è invece una raccolta di cristalli cresciuti lentamente sotto particolari condizioni di temperatura e umidità. Crescendo sempre più questi cristalli si aggregano in fiocchi di neve che, diventando più pesanti, scendono sotto l'azione della gravità. Il resto della storia lo conosciamo bene, soprattutto in questo periodo. E a quel complesso gioco di leggi fisiche e chimiche diamo un nome molto più semplice e poetico. Neve.
di MASSIMILIANO RAZZANO
Fonte