Los copos de nieve son uno de los símbolos más reconocibles del invierno, pero su formación es un misterio que ha ocupado a científicos durante siglos. Todos nos hemos preguntado alguna vez: ¿Por qué los copos de nieve tienen, casi siempre, una forma hexagonal simétrica?
El primer científico que abordó metódicamente este problema fue Johannes Kepler, quien escribió el primer tratado serio dedicado a la morfología de los cristales de nieve. Más tarde, René Descartes también se interesó en el tema, pero sus estudios se limitaron a describir la variedad de cristales sin explicar su origen. No fue hasta la invención de la fotografía cuando se pudo analizar en profundidad, gracias a Wilson Bentley, que catalogó más de 5000 formas y publicó un libro en 1931.
Es posible que la belleza de las imágenes de Bentley haya hecho de los cristales de nieve un ícono del invierno. Finalmente, la humanidad estaba a punto de comprender cómo se formaban estos cristales.
La simetría hexagonal
La estructura molecular del agua es la responsable de la simetría hexagonal. El H2O es un triángulo equilátero perfecto, y cada nodo de crecimiento se pega en un ángulo de exactamente 60 grados. Así, en cada capa, seis de esos “triángulos moleculares” forman la base del siguiente crecimiento. Por eso, la forma siempre es hexagonal. Sin embargo, conocer esto no basta para determinar la forma exacta del cristal. A pesar de la variedad casi infinita de cristales que pueden generarse, la temperatura y la supersaturación del vapor de agua juegan un papel crucial, y pequeñas variaciones pueden dar lugar a estructuras completamente diferentes.
El cristal comienza a crecer alrededor de una pequeña impureza química, generalmente el polvo que flota en la atmósfera. La estructura molecular del cristal de hielo es extremadamente sensible a los factores ambientales, y pequeñas variaciones resultan en cristales completamente diferentes. Hoy creemos comprender los principios físicos que gobiernan su desarrollo, aunque seguimos siendo incapaces de predecir con certeza la forma exacta de un cristal de nieve.
El diagrama morfológico de Nakaya
Fue el japonés Ukichiro Nakaya quien realizó los primeros estudios de laboratorio. Intrigado por la forma que adoptan los cristales durante su crecimiento, logró en 1933 obtener los primeros cristales de nieve sintéticos. Nakaya experimentó variando ligeramente la temperatura y el nivel de supersaturación del agua, y observó la influencia sobre la forma de los cristales generados. Sus observaciones se resumen en un diagrama morfológico que muestra cómo la temperatura y la humedad determinan a grandes rasgos la forma de los cristales.
En el diagrama, la temperatura se representa en el eje horizontal y la humedad en el vertical. Nakaya muestra qué ocurre cuando la escala sobrepasa el 100% de humedad, situación conocida como “sobresaturación de agua”. La línea azul muestra las diferencias entre los cristales que se forman por encima y por debajo de ella. A medida que aumenta la humedad, los cristales se vuelven más y más complejos. Algunas formas, como las estrelladas o las que tienen múltiples ramas, solo se forman con índices de humedad muy altos.
También se ve cómo la forma varía dramáticamente en función de la temperatura. El hecho de que los cristales vuelvan a formas simples cuando la temperatura desciende demasiado es particularmente difícil de explicar, y 85 años después del análisis de Nakaya seguimos sin entender por qué esos grandes cambios morfológicos son causados por apenas unos pocos grados de diferencia. Hoy sabemos que la presión atmosférica también influye en la forma final, por lo que no solo intervienen dos variables, sino al menos tres. Y quizás más.
La complejidad del crecimiento
Kenneth Libbrecht, profesor de física en CalTech, ha estudiado este proceso en profundidad. Según él, cada cristal comienza como un prisma hexagonal simple, pero la estructura final depende de las velocidades de crecimiento relativo en las superficies de las facetas. Él lo explica así:
“Cada columna, aguja y placa de forma estrellada que nos cae del cielo, comienza como un sencillo prisma hexagonal, que es la forma básica de un cristal de nieve. Esta forma básica tiene dos facetas que llamamos `basales´ y seis facetas `prismáticas´. Sin embargo, la estructura final depende de las velocidades de crecimiento relativo en las superficies de las facetas: el vapor se condensa más rápidamente en las caras prismáticas. El mero hecho de que existan cristales columnares y planos exige que la velocidad de crecimiento varíe en un factor de 1000 bajo diferentes condiciones
La solución, parece, pasa por comprender el proceso de su crecimiento individual más que el resultado final, ya que allí se originan las diferencias.
Este mismo razonamiento llevó a Nakaya a cultivar y hacer crecer sus propios copos de nieve en el laboratorio, donde podía estudiar el proceso bajo condiciones controladas.
Libbrecht explica que “de hecho, el diagrama morfológico de los cristales de nieve es una simple `rebanada´ bidimensional de una realidad mucho más compleja y multidimensional. Si agregamos un tercer eje -el tiempo-, veremos que los cristales se hacen mucho mayores y más complejos conforme pasa el tiempo.”
Conclusión
Es posible que nunca logremos predecir con exactitud qué forma tendrá un copo de nieve determinado, pero eso, obviamente, no hace más que aumentar su belleza. Cada uno de los cristales con los que seguramente soñaba Nakaya es único, casi una obra de arte de la naturaleza, y eso es lo que importa.
Para saber más sobre la vida y obra de este científico, puedes consultar Ukichiro Nakaya en Wikipedia.
