چرا بلورهای برف شش پر و متقارن و سفید هستند؟!

برای پاسخ به این سوال باید داستان زندگی یک دانه برف را دانست. داستان زندگی دانه برف، از ابر آغاز می‌شود، از زمانی که یک قطره بسیار ریز ابر یخ زده و به یک ذره کوچک یخی تبدیل می‌شود. زمانی که بخار آب روی سطح ذره یخ شروع به سخت شدن می‌کند، به سرعت در این یخ کوچک چند وجه ایجاد و به یک شش وجهی تبدیل می‌شود.

 

ذره یخ تا مدتی این شکل شش وجهی را حفظ می‌کند اما به تدریج که بلور بزرگتر و بزرگتر می‌شود، از هر یک از وجوه این شش وجهی شاخه‌ای بیرون می‌آید. از آنجا که شرایط جوی (یعنی دما و رطوبت) در همه نقاط این بلور کوچک یکسان است، هر شش شاخه جدید، تقریبا به یک اندازه رشد می‌کنند.

 

بلور برف در حالیکه بزرگتر می‌شود، در داخل ابر با باد به اینسو و آنسو می‌رود و به همین دلیل است که در طول زمان، با دماهای مختلفی روبرو می‌شود. اما رشد کریستال تا حد بسیار زیادی به میزان دما مربوط می‌شود و از آنجا که هر شش شاخه بلور در هر زمان در شرایط مساوی قرار دارند، همه آنها به یک شکل رشد می‌کنند. نتیجه نهایی این روند، ایجاد ساختاری شش شاخه و متقارن است. باید توجه داشت که چون هر بلور برف مسیری خاص خود را در ابر می‌پیماید، هر یک شکل خاص خود را پیدا می‌کنند.

هیچ چیز. همانطور که قبلا اشاره شد هر یک از بازوهای دانه برف مستقلا رشد می‌کند اما از آنجا که نقاط مختلف هر بلور اولیه برف درشرایط مساوی دمایی قرار دارد، این رشد همزمان و برابر صورت می‌گیرد. شاید این موضوع عجیب و باورنکردنی به نظر برسد اما شاید اشاره به یک نکته، این موضوع را باورکردنی کند: در واقع بلورهای برف چندان کامل متقارن نیستند. برای اطمینان به زیر برف بروید و خودتان آزمایش کنید. به ندرت ممکن است کریستالی کاملا متقارن پیدا کنید.

علت این امر به خصوصیات هندسه شش ضلعی شبکه بلور یخ برمی‌گردد. اما این شبکه ابعاد مولکولی دارد و پی بردن به این موضوع که این تقارن در ابعاد نانو چگونه به ساختار یک کریستال برف که به مراتب بزرگتراست، منتقل می‌شود، کار ساده‌ای نیست. اما بطورکلی باید گفت ایجاد بازو در دانه برف از طریق "تشکیل وجوه" (‪ faceting‬یا ایجاد ساختاری مانند جواهرات تراش داده شده) صورت می‌گیرد.

 

این وجوه بدون نیاز به نیروی خاصی تشکیل می‌شوند که علت آن، نحوه قرار گرفتن مولکول‌ها در داخل شبکه دانه برف است. در فرآیند تشکیل وجوه است که دانه ابتدایی برف به یک شش وجهی تبدیل می‌شود که ساختاری بزرگتر با یک تقارن شش بری است. در نهایت، بازوها از گوشه‌های شش ضلعی بیرون می‌آیند و وجود شش گوشه اساس به وجود آمدن شش بازوست. فرآیند "تشکیل وجوه" نشان می‌دهد که هندسه مولکول آب چگونه به هندسه یک کریستال درشت برف منتقل می‌شود.

 

برف سفید نیست. برف از کریستالهای یخ درست شده و انبوه آنها سفید به نظر می‌رسد درست مانند خرده شیشه‌هایی که انبوه آنها سفید به نظر می‌آید. نور بازهم مانند شیشه، از بخشی از سطوح یخ دانه برف منعکس می‌شود و رنگ خاصی را بازتاب می‌دهد. هنگامی که مقدار زیادی برف انباشته شده باشد و از روی هر وجه هر دانه برف بخشی از نور منعکس شود، این نور به نقاط اطراف بازتاب یافته و دوباره برمی‌گردد. از آنجا که همه رنگها تقریبا به میزان مساوی پراکنده هستند، انبوه برف سفیدرنگ به نظر می‌رسد.

 

در واقع، هنگامی که نور در حال تابش و بازتابش است، یخ بخشی از آن را جذب می‌کند و رنگ قرمز، آسانتر از رنگ آبی جذب می‌شود و در نتیجه، رنگ آبی بازتاب می‌یابد. به همین دلیل اگر به داخل یک توده برف خوب نگاه کنید، گاه در آن رنگ آبی را مشاهده می‌کنید.

 

بلورهای زیبای برف رقص کنان از آسمان به زمین می‌بارند و یک انسان پرسشگر باید بداند که این دانه‌ها از چه و چگونه تشکیل شده‌اند. مطمئنا از میان بیش از شش میلیارد جمعیت زمین، عده‌ای هستند که بخواهند به رازهای دانه‌های برف پی ببرند. با همه اینها، یافتن راز چگونگی تشکیل بلورها، بدون تردید کار بی‌فایده‌ای نیست. برای مثال، کل صنعت کامپیوتر به سیلیکون و دیگر کریستال‌های نیمه‌هادی متکی است ولی ما هنوز درباره فیزیک چگونگی تشکیل این کریستالها اطلاعات زیادی نداریم. اگر از فیزیک پایه‌ای که در پس رشد بلورها ، از جمله بلور یخ، وجود دارد، درک بهتری پیدا کنیم، توانایی بیشتری برای ایجاد مواد جدید خواهیم داشت.