Copos de Nieve

Podrías adivinar cuales de los siguientes dibujos representan  posibles cristales de nieve?

Ciertamente todas estas figuras quedan muy bien como adornos de Navidad pero sólo algunas de ellas se podrían encontrar en copos de nieve de verdad.

La respuesta es simple ... 1, 2, 3.  Si optaste por la primera segunda y tercera figuras ... has acertado !

La razon es que esas son las unicas figuras del grupo con  simetría hexagonal . Esto quiere decir que si giramos la figura 1/6, una sexta parte de una vuelta completa como si fuera una rueda, acabamos con una nueva orientacion indistinguible de la posicion inicial (aparte de los pequeños defectos añadidos a los dibujos para hacerlos parecer más reales). Los matemáticos y cristalógrafos usan el término "eje de orden 6" para describir este tipo de simetria.
El cuarto y el quinto dibujo tienen simetrías diferentes. El cuarto presenta un eje de orden 8 (simetría octogonal), mientras que el quinto tiene un eje de orden 5 (simetría pentagonal).

El caso es que los cristales de nieve siempre crecen formando figuras hexagonales. Las formas son infinitas, cada cristal es único, pero la simetría de todos ellos es la misma.

El naturalista americano Wilson A. Bentley (1865-1931) , un granjero autodidacto de un pequeño pueblo de Vermont, dedicó 40 inviernos de su vida al estudio de los minúsculos cristales que se aglomeran para formar los copos de nieve. Llegó a examinar y fotografiar más de 5000 gracias a su propio montaje de microscopio y cámara fotográfica de las de entonces. Un verdadero pionero de la fotomicrografía.
Impresionado por la belleza de esas frágiles formaciones se dedicó a examinarlas con detalle. Nunca llegó a encontrar dos exactamente iguales.

Hoy en día los científicos usan microscopios electrónicos que nos permiten observar cosas tan pequeñas como los cristales de nieve con un detalle impresionante. Las fotografías que se muestran a continuación son imágenes de verdaderos cristales de nieve tomadas por los científicos de la Unidad de Microscopía Electrónica del  Beltsville Agricultural Research Center, en Beltsville, MD, USA. (ver detalles más abajo).

Las formas tan complicadas de muchos de los critales de nieve se deben a sus procesos de crecimiento. Bajo ciertas condiciones atmosféricas el agua se congela y los cristales de hielo crecen rápidamente formando abundantes ramificaciones como las del cristal del centro (dendritas).  En condiciones de crecimiento más lento los cristales de nieve podrían dar lugar a formas más simples como la del cristal de la izquierda.

Pero por qué hexagonal?,  Como es que todos los cristales de nieve están abocados a tener esa simetría?
La respuesta se encuentra en lo más profundo de los cristales. Para encontrarla tendremos que mirar los átomos y moléculas que los forman. Y lo cierto es que a ese nivel no existe microscopio alguno que nos permita simplemente echar un vistazo y comprender la respuesta.
Pero no pasa nada. Los científicos han desarrollado métodos para "mirar" a los átomos, no con microscopios sino con la magia de la física y las matemáticas. Podemos por ejemplo obtener imágenes de la forma en que se ordenan los átomos en los cristales midiendo cómo se refleja un haz de rayos X en distintas direcciones sobre el cristal y aplicando un tratamiento matemático a los datos medidos. Esta técnica se conoce entre los científicos con el sofisticado nombre de "cristalografía de rayos X". Aquí la llamaremos "visión por rayos X" y nos permitirá "ver" cómo se enlazan los átomos de oxígeno e hidrógeno para formar moleculas de agua y como se ordenan estas moléculas unas con otras en el hielo sólido y en los cristales de nieve
 
 

Mira esta imagen de visión por rayos X de un cristal de hielo !.............
Es equivalente a unos  x100000000 aumentos !

Efectivamente !  también tiene la simetría hexagonal !
En esta imagen los átomos de Oxígeno se representan como bolas rojas y los átomos de Hidrógeno como bolas azules más pequeñas.

Todos los enlaces entre estos átomos se han dibujado como barras blancas para resaltar la red hexagonal en forma de colmena que forma el conjunto de las moléculas de  H2O.
 
 
 

En el agua líquida también hay moléculas de  H2O, pero en ese caso se encuentran más calientes que en el hielo. Eso significa que se mueven más libremente y de hecho esa es la razón de que el agua sea un líquido sin forma propia.
Pero cuando el agua se congela las fuerzas de interacción entre moléculas de  H2O ganan a las fuerzas derivadas del movimiento térmico y forman un conjunto rígido que presenta su estado más estable (de menor energía) cuando se ordenan... precisamente con simetría HEXAGONAL.

Por eso los cristales de nieve son siempre hexagonales. La estructura de los cristales a nivel atómico determina su forma final.  Y éste no es un ejemplo aislado !. La composición y la estructura a nivel atómico y molecular es la clave que determina la estructura, dureza y propiedades en general de todos los materiales que nos rodean.
 
 

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Si quieres leer más acerca de los copos de nieve, averiguar otros hechos interesante y ver más imágenes de cristales de nieve te recomiendo que visites la "Snow Crystal Research page" (en inglés)  (Electron Microscopy Unit Snow Page,  BARC)  en  www.lpsi.barc.usda.gov/emusnow/


  Preguntas y comentarios a cienciateca@mail.com |  Última modificación: 15 de Enero de 2002
©Pedro Gómez-Romero, 1998,1999