Izotz-kristalen zientzia

Leire Sangroniz, Ainara Sangroniz

Azken egunotan elurra mara-mara aritu da Euskal Herriko txoko askotan. Elur malutak izotz-kristal multzoez osatuta daude. Forma geometriko eder eta harrigarriak osatzen dituzte, artelan bat balira bezala. Baina nola osatzen dira kristal hauek? Zergatik osatzen dituzte horren geometria konplexuak? Hurrengo lerroetan horretaz mintzatuko gara.

Izotz-kristalak mikroskopikoak dira eta lainoetan osatzen dira, ur-lurruna edota egoera likidoan dagoen ura atmosferan dauden partikulekin kontaktuan jartzean. Kristal hauek elur malutak osatzen dituzte, zenbaitetan kristal gutxi batzuez osatuak daude, baina bestetan kristal multzo handiak dira. Azken hamarkadetan argazkigintzan eta beste alorretan egin diren aurrerakuntzek izotz-kristalen itxura sakonago aztertzea ahalbidetu dute. Hala ere, elur malutak osatzen dituzten kristalek harridura eta interesa piztu izan dute aspalditik, nahiz eta iraganean begi hutsez soilik aztertu ahal ziren, ez baitzegoen beste tresna egokiagorik.

Izotz-kristalen itxura hexagonala, hots, 6 aldeko itxura geometrikoa, dagoeneko ezaguna zen Kristo aurreko 2. mendean, Txinako zenbait dokumentutan jasotzen denez. Alberto Magno teologo eta pentsalariak XIII. mendean identifikatu zituen izar itxurako kristalak. 1611. urtean Kepler astronomo eta matematikariak izotz-kristalen simetria hexagonala aztertu zuen, De nive sexangula izeneko lanean. Lan hau Wacker von Wackenfels diplomatikoari oparitu zion urte berrian. Keplerren hitzetan, opari bikaina zen, izotz-kristalak zerutik baitatoz eta izar itxura baitaukate. Beraren ustez izotz-kristalek itxura hexagonala zuten hori delako paketatze egokiena materialean ahalik eta hutsune txikiena gelditzeko. Ideia hau Thomas Harrior astronomo eta matematikariari zor dakioke; izan ere, Keplerrekin harremanetan egon zen, itsasontzi batean kanoi balak gordetzeko modu eraginkorrena bilatu nahian. Garai hartan atomoen teoria oraindik ez zegoen garatua, baina berak partikula esferikoetan pentsatzen zuen. Paketatze hexagonalak hutsarte txikienak uzten dituen egitura izateari Keplerren hipotesia deritzo eta 1998an frogatu zen, metodo konputazionalak erabiliz. Edozein kasutan, Keplerrek izotz-kristalen inguruan ikerketa sakonagoa behar zela uste zuen.

XIX. mendean Amerikan zein Europan elur-maluten argazkiak egiten hasi ziren. Argazkilari horietako bat Wilson Bentley zen, Vermont-eko baserritar bat. Beraren ama irakaslea zen eta etxean mikroskopio bat zeukaten. Bentleyk gaztetatik erabiltzen zuen mikroskopioa ur tantak, hegaztien lumak edota beste objektu batzuk aztertzeko. Izotz-kristalekin liluratuta, mikroskopioan ikusten zituen irudiak kopiatzen zituen eskuz, baina, marrazkietatik haratago joan nahian, mikroskopioarekin bat eginda erabil zitekeen argazki-kamera bat erosi zuen. Izotz-kristalen argazkiak ateratzea zuen helburu eta, bere kasa ikasiz, 1885ean tamaina mikroskopikoa zuen izotz-kristal baten lehen argazkia lortu zuen. 1885etik 1931ra elur maluten argazkiak ateratzen igarotzen zituen neguak. Milaka izotz-kristal aztertu zituen eta zenbait ikerketa-artikulu eta liburu argitaratu zituen. Bentleyren arabera ez daude bi izotz-kristal berdin.

Garai bertsuan, 1930 inguruan, Nakaya Ukichiro fisikari japoniarra naturan sortzen diren izotz-kristalak aztertzen hasi zen, haien egitura, erorketa-abiadura edota tamaina-banaketa zehazten ahaleginduz. Kristalak sakonago ikertzeko, haiek modu artifizialen sortzeari ekin zion, eta horretarako izotz-kristalak tenperatura eta hezetasun kontrolatuan sortzeko makina bat garatu zuen. Hala ere, laborategian izotz-kristalak eratzea erronka handia zen: hasieran kristal-pilaketak lortzen zituen, baina izotzen eraketa-prozesua aztertzeko, kristal bakar baten hazkuntza jarraitu behar da. Horretarako behar den substratua, hau da, kristala hazteko behar den oinarria, aldatzen joan zen, filamentu desberdinak erabiliz, kotoia edo zeta esaterako, baina emaitza onik lortu gabe. Azkenean, untxi baten ilea erabiliz, kristal bakar bat lortu zuen eta haren hazkuntza-prozesua jarraitu ahal izan zuen. Horrela tenperaturaren eta hezetasunaren araberako diagrama bat osatu zuen, kristalek hartzen zuten itxura azaltzen zuena. Grafiko hau Nakaya diagrama izenaz ezagutzen da. Baldintzen arabera, xaflak, orratzak, dendritak edo era askotariko zutabeak eratu daitezke. Oro har, ur-lurrun gehiago dagoenean forma konplexuagoak eta tamaina handiagoa hartzen dute. Tenperaturari dagokionez, 0 eta -30 °C artean osatzen dira.

Izotz-kristalen morfologia tenperaturaren eta hezetasunaren araberakoa dela orain dela 80 urte jakin bazen ere, ez dago azalpen zehatz bat mendekotasun hau modu egokian azaltzeko. Kontuan izan behar da kristalen hazkuntza egoera ezegonkorrean gertatzen dela. Prozesu dinamikoa da eta, Kenneth Libbrechet fisikariaren arabera, horrek zaildu egiten du kristalen azterketa. Libbrechetek erlazio hau ikertzen jarraitzen du, tenperaturak egiturari eta kristalaren hazkuntza-prozesuari nola eragiten dien aztertuz. Bere laborategian ia berdinak diren kristal-izotzak sortzeko gai izan da. Halako kristalak aldi berean sortzen ditu baldintza berdinetan, eta horrek hazkuntza antzekoa izatea eragiten du.

Erreferentzia bibliografikoak:

Higashi, A. (1962). Ukichiro Nakaya—1900–1962. Journal of Glaciology, 4 (33), 378-380. doi: 10.3189/S0022143000027763

Libbrecht, K. G. (2005). The physics of snow crystals. Reports on Progress in Physics, 68 (4), 855-895. doi: 10.1088/0034-4885/68/4/R03

Ball, P. (2011). In retrospect: On the Six-Cornered Snowflake. Nature, 480, 455. doi: https://doi.org/10.1038/480455a

Libbrecht, K. G. (2017). Physical Dynamics of Ice Crystal Growth. Annual Review of Materials Research, 47 (1), 271-295. doi: 10.1146/annurev-matsci-070616-124135

Iturriak:

• Snow Crystals.com
• Blanchard, Duncan C. (1970). Wilson Bentley, the Snowflake Man. Weaherwise, 23, 261-269. doi: 10.1080/00431672.1970.9932907

Egileez:

Leire Sangroniz eta Ainara Sangroniz Kimikan doktoreak dira eta UPV/EHUko Kimika Fakultatearen, Polimeroen Zientzia eta Teknologia Saileko ikertzaileak Polymat Institutuan.