Hace más de 400 años, El renombrado matemático y científico Johannes Kepler especuló sobre la creación de una de las formas más angelicales y únicas de la naturaleza:el copo de nieve de seis lados. Aunque los átomos no se descubrirían hasta más de dos siglos después, Kepler reflexionó abiertamente sobre los microscópicos bloques de construcción que conducen a la formación hexagonal del cristal de hielo, incluyendo la miríada de factores detrás de este fenómeno recurrente.

Ahora, Una investigación dirigida por un químico de la Universidad de Tufts ha respondido a las preguntas de Kepler arrojando nueva luz sobre este proceso al combinar una retrodispersión de electrones con un gran modelo de hielo monocristalino. En un estudio publicado en el procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , Los científicos descubrieron que los lados planos de un cristal de hielo están formados por un hexágono que es más grande y consta de una molécula de agua central rodeada por otras seis en la misma capa.

Mary Jane Shultz, Doctor., profesor de química en la Facultad de Artes y Ciencias de la Universidad de Tufts y primer autor del estudio, dijo que el hexágono en forma de silla tiene tres moléculas en una capa y tres más ligeramente más abajo en lo que se llama una estructura bicapa. Los seis lados planos de un copo de nieve crecen a partir de un hexágono formado dentro de una capa. Este hexágono más grande se gira 30 grados con respecto al hexágono en forma de silla.

"Los copos de nieve crecen a partir del vapor de agua. Las caras que liberan la mayor cantidad de calor (por unidad de área) se vaporizan, "dijo Shultz." La cara con la menor liberación de calor es la cara hexagonal; la siguiente es la cara plana del hexágono más grande. El lado plano del hexágono en forma de silla libera la mayor cantidad de calor por área, que se vaporiza. Por lo tanto, el prisma hexagonal de copo de nieve tiene lados planos que corresponden al hexágono más grande ".

Los hallazgos del estudio refutan las suposiciones anteriores de que los copos de nieve crecen en los lados planos del hexágono en forma de silla, Dijo Shultz.

Para determinar cómo ocurre la formación, Los investigadores construyeron un modelo que equilibra el calor liberado cuando las moléculas se incorporan en la red sólida con la probabilidad de una unión exitosa. La combinación de técnicas macroscópicas y de nivel molecular permitió al equipo investigar la misma superficie a diferentes escalas.

La sonda macroscópica se ha utilizado durante décadas para investigar el hielo. Esta técnica produce las bellas imágenes visuales de la forma hexagonal macroscópica. La sonda de nivel molecular es más reciente. Mientras que una radiografía se usa comúnmente para mostrar el nivel molecular, Shultz y su equipo optaron por utilizar la técnica de difracción por retrodispersión de electrones, que produce gráficos de densidad de orientación que son más ilustrativos y visualmente atractivos.

"El seguimiento cuidadoso de la orientación de la muestra nos permitió vincular las dos imágenes para producir la conexión, " ella dijo.

La investigación confirmó que los puntos de los copos de nieve se alinean con los ejes cristalográficos a que se muestran como puntos calientes en los datos de retrodispersión de electrones. El significado es que el lado plano de un copo de nieve consta de una estructura de dos capas. La cara basal es un hexágono en forma de silla; la alteración de arriba hacia abajo forma una bicapa. El lado plano es un hexágono en forma de bote que consta de pares de moléculas de agua que forman puentes en la mitad inferior de la bicapa. Se espera que la flexibilidad y movilidad de un par resulte en una reactividad única de esta cara, incluyendo la conversión potencialmente catalizadora de gases como CO2 y óxidos de nitrógeno en la atmósfera. Shultz dijo que el equipo ahora está investigando esta reactividad.