به راستی چرا بلورهای برف شش پر و متقارن و سفید هستند؟

برای پاسخ به این سوال باید داستان زندگی یك دانه برف را دانست.

داستان زندگی دانه برف، از ابر آغاز می شود، از زمانی كه یك قطره بسیار ریز ابر یخ زده و به یك ذره كوچك یخی تبدیل می شود.

زمانی كه بخار آب روی سطح ذره یخ شروع به سخت شدن می كند، به سرعت در این یخ كوچك چند وجه ایجاد و به یك شش وجهی تبدیل می شود.

ذره یخ تا مدتی این شكل شش وجهی را حفظ می كند اما به تدریج كه بلور بزرگتر و بزرگتر می شود، از هر یك از وجوه این شش وجهی شاخه ای بیرون می آید. از آنجا كه شرایط جوی (یعنی دما و رطوبت) در همه نقاط این بلور كوچك یكسان است، هر شش شاخه جدید، تقریبا به یك اندازه رشد می كنند.

بلور برف در حالیكه بزرگتر می شود، در داخل ابر با باد به اینسو و آنسو می رود و به همین دلیل است كه در طول زمان، با دماهای مختلفی روبرو می شود.

اما رشد كریستال تا حد بسیار زیادی به میزان دما مربوط می شود و از آنجا كه هر شش شاخه بلور در هر زمان در شرایط مساوی قرار دارند، همه آنها به یك شكل رشد می كنند.

نتیجه نهایی این روند، ایجاد ساختاری شش شاخه و متقارن است. باید توجه داشت كه چون هر بلور برف مسیری خاص خود را در ابر می پیماید، هر یك شكل خاص خود را پیدا می كنند.

● چه چیزی باعث همزمانی رشد شش بازوی كریستال برف می شود؟

هیچ چیز. همانطور كه قبلا اشاره شد هر یك از بازوهای دانه برف مستقلا رشد می كند اما از آنجا كه نقاط مختلف هر بلور اولیه برف درشرایط مساوی دمایی قرار دارد، این رشد همزمان و برابر صورت می گیرد.

شاید این موضوع عجیب و باورنكردنی به نظر برسد اما شاید اشاره به یك نكته، این موضوع را باوركردنی كند: در واقع بلورهای برف چندان كامل متقارن نیستند. برای اطمینان به زیر برف بروید و خودتان آزمایش كنید.

به ندرت ممكن است كریستالی كاملا متقارن پیدا كنید.

● دانه برف چرا شش بازو دارد؟

علت این امر به خصوصیات هندسه شش ضلعی شبكه بلور یخ برمی گردد. اما این شبكه ابعاد مولكولی دارد و پی بردن به این موضوع كه این تقارن در ابعاد نانو چگونه به ساختار یك كریستال برف كه به مراتب بزرگتراست، منتقل می شود، كار ساده ای نیست.

اما بطوركلی باید گفت ایجاد بازو در دانه برف از طریق "تشكیل وجوه" (‪ faceting‬یا ایجاد ساختاری مانند جواهرات تراش داده شده) صورت می گیرد.

این وجوه بدون نیاز به نیروی خاصی تشكیل می شوند كه علت آن، نحوه قرار گرفتن مولكول ها در داخل شبكه دانه برف است. در فرآیند تشكیل وجوه است كه دانه ابتدایی برف به یك شش وجهی تبدیل می شود كه ساختاری بزرگتر با یك تقارن شش بری است. در نهایت، بازوها از گوشه های شش ضلعی بیرون می آیند و وجود شش گوشه اساس به وجود آمدن شش بازوست.

فرآیند "تشكیل وجوه" نشان می دهد كه هندسه مولكول آب چگونه به هندسه یك كریستال درشت برف منتقل می شود.

● چرا برف سفید است؟

برف سفید نیست. برف از كریستالهای یخ درست شده و انبوه آنها سفید به نظر می رسد درست مانند خرده شیشه هایی كه انبوه آنها سفید به نظر می آید.

نور بازهم مانند شیشه، از بخشی از سطوح یخ دانه برف منعكس می شود و رنگ خاصی را بازتاب می دهد. هنگامی كه مقدار زیادی برف انباشته شده باشد و از روی هر وجه هر دانه برف بخشی از نور منعكس شود، این نور به نقاط اطراف بازتاب یافته و دوباره برمی گردد. از آنجا كه همه رنگها تقریبا به میزان مساوی پراكنده هستند، انبوه برف سفیدرنگ به نظر می رسد.

در واقع، هنگامی كه نور در حال تابش و بازتابش است، یخ بخشی از آن را جذب می كند و رنگ قرمز، آسانتر از رنگ آبی جذب می شود و در نتیجه، رنگ آبی بازتاب می یابد. به همین دلیل اگر به داخل یك توده برف خوب نگاه كنید، گاه در آن رنگ آبی را مشاهده می كنید.

● فایده دانستن این اطلاعات درباره دانه های برف چیست؟

بلورهای زیبای برف رقص كنان از آسمان به زمین می بارند و یك انسان پرسشگر باید بداند كه این دانه ها از چه و چگونه تشكیل شده اند. مطمئنا از میان بیش از شش میلیارد جمعیت زمین، عده ای هستند كه بخواهند به رازهای دانه های برف پی ببرند.

با همه اینها، یافتن راز چگونگی تشكیل بلورها، بدون تردید كار بی فایده ای نیست. برای مثال، كل صنعت كامپیوتر به سیلیكون و دیگر كریستال های نیمه هادی متكی است ولی ما هنوز درباره فیزیك چگونگی تشكیل این كریستالها اطلاعات زیادی نداریم.

اگر از فیزیك پایه ای كه در پس رشد بلورها ، از جمله بلور یخ، وجود دارد، درك بهتری پیدا كنیم، توانایی بیشتری برای ایجاد مواد جدید خواهیم داشت.

دانش، هرگز بی فایده نیست.