Discover Magazine
Tradução Mariana Cruz
Quando o físico Kenneth Libbrecht observa uma paisagem coberta de neve, ele não vê um cenário de tranquilidade; ele vê um laboratório. Libbrecht tem viajado de Fairbanks, no Alasca, para uma estação de pesquisa acima do Círculo Ártico, ao norte da Suécia, para estudar a formação dos cristais de neve. As fotos microscópicas que fez e expôs em seu último livro, Snowflakes, da Voyageur Press, mostram a complexa variedade de cristais de neve e revela as rigorosas leis da natureza que dão forma a elas.
Libbrecht está interessado no que acontece em nível molecular quando cristais de gelo se formam. Ele vê isso, porém, como uma atividade científica fora de moda: “É realmente como se estivesse fazendo ciência há 100 anos”; ele afirma isso por estar estudando o mistério inerente aos triviais e familiares flocos de neve que caem do céu a cada inverno.
Um humilde mistério
Libbrecht, titular do departamento de Física de Caltech, conta que estava concentrado em seu gélido trabalho quando leu uma referência da Física sobre a formação do cristal de gelo. “Eu me dei conta de que não entendia muito bem como essas coisas funcionavam; olhei ao redor e percebi que ninguém entendia”.
Ele começou tentando descobrir por que cristais ganham formas tão radicalmente diversas quando estão sob diferentes condições atmosféricas, se, de certa forma, “são apenas tipos de bolas de neve”. Atualmente seu laboratório em Caltech gasta um tempo considerável cultivando “flocos de neve sintéticos” sob diferentes condições (o resultado pode ser conferido no site de Libbrecht). Essas agulhas são delgadas colunas hexagonais que se formam em temperaturas semiúmidas e relativamente quentes, por volta de 23°F (-5ºC).
Textos antigos sobre estrutura atômica
Naturalistas chineses podem ter descoberto a natureza hexagonal dos flocos de neve mais de mil anos antes que os europeus. Um texto antigo datado de 135 a. C menciona a natureza das “flores de neve” de seis pontas.
Em 1611, o astrônomo alemão Johannes Kepler retomou o estudo da simetria de seis dobras dos flocos de neve, mas ele estava confuso sobre como as complexas formas eram criadas. Libbrecht explica que tal confusão persistiu até o desenvolvimento do raio-X cristalográfico, na década de 1920, quando pesquisadores estavam aptos a estudar a estrutura atômica do cristal de gelo para determinar como eram formados. “Raios-X têm mais ou menos o mesmo comprimento de ondas que o espaçamento entre átomos nos cristais,” explica Libbrecht.
Cristais de seis lados
O cristal de neve é formado quando o vapor d’água dentro das nuvens se condensa em gelo. As moléculas de H2O se juntam em um entrelaçamento hexagonal, e essas moléculas começam a se aglutinar. O pequeno núcleo de um cristal tem pedaços ásperos com muitas oscilações químicas ligadas também a áreas “macias”; um cristal cresce em um prisma de seis lados porque as moléculas que chegam se ligam aos pedaços ásperos em seis pontos distintos. Essas áreas crescem mais rápido do que as partes “macias”, e logo se constrói uma forma hexagonal básica com seis pontas e seis facetas.
“A geometria da molécula transforma-se na geometria do floco de neve,” diz Libbrecht; “então você pode vê-la.”
Expandindo-se
Flocos de neve crescem de um prisma básico para elaborar formas rendadas porque os seis cantos continuam a crescer mais rápido que o resto da estrutura. Em um fenômeno chamado expansão instável, moléculas de água se difundem no ar para alcançar o cristal em crescimento e alcançar primeiro os cantos que estão se projetando.
Eles constroem seis ramos, e projeções nesses ramos logo geram ramos ao lado. O cristal resultante é chamado de dendrite (cristal que tem a forma de ramos de árvore), que se origina da palavra grega que designa “árvore”. Tecnicamente falando, um floco de neve é uma conglomeração de cristais, que é como a maioria da neve cai no chão. Mas o termo é geralmente usado como sinônimo de cristal de neve.
Floco fabuloso
Este é o mais largo cristal de neve individual que Libbrecht já fotografou: de ponta a ponta, ele é praticamente do tamanho de uma pequena moeda.
Essa elaborada estrutura ramificada indica que ele é formado em uma região com alta pressão atmosférica, onde moléculas encontram mais resistência e se difundem mais lentamente pelo ar. Os ramos mais facilmente acessíveis acumulam moléculas mais prontamente, e então surgem formas fabulosas.
Fantástica variedade
Quando o cristal de neve que está crescendo é jogado pelas correntes para dentro de uma nuvem, ele se depara com áreas em diferentes condições atmosféricas. Mesmo sutis variações na pressão do ar, na temperatura e na umidade podem causar uma mudança radical no padrão de crescimento dos cristais.
Para fazer um floco em forma de carretel, o cristal começa a se formar dentro de um pilar hexagonal, em uma região com temperatura de cerca de 20°F (-6ºC) antes que ele flutue para dentro de outra zona e “o cristal tenha a crise da meia-idade,” diz Libbrecht. Se a temperatura recebe tanto um pequeno calor quanto um pequeno frio, o cristal em crescimento se modifica e isso começa a formar pratos achatados no topo e na base do pilar.
Ciência fora de moda
Libbrecht tem mérito também por trabalhar em ciência de escala maciça: ele trabalha no projeto Ligo, em que poucas centenas de cientistas estudam sinais de ondas gravitacionais de estrelas supernovas e buracos negros.
O estudo com cristais de neve permite que ele vá rapidamente da Macro à Microfísica. “Eu gosto da escala disso”, diz Libbrecht. “Todo mundo na ciência parece estar trabalhando com essas coisas grandiosas – eles estão indo para algum outro planeta ou construindo um acelerador de US$ 6 bilhões.” Libbrecht diz que gosta de poder trabalhar com seus cristais de neve de forma tranquila e barata e fazer avanços no campo usando os instrumentos simples que ele tem em seu laboratório.
Não há dois iguais?
Como era de se esperar, Libbrecht escuta essa questão frequentemente. Mas a resposta não é tão simples, para ele “depende do que você quer dizer com a palavra iguais”. É essencialmente impossível que dois cristais de gelo visíveis tenham exatamente a mesma estrutura molecular, mas prismas de cristais hexagonais pequenos e simples podem parecer iguais ao olho nu.
Em geral, flocos de neve complexos são uma história diferente. Libbrecht diz que o assombroso número de variáveis que afetam
cada etapa do crescimento do cristal está de acordo com a sabedoria popular. “Apesar de a complexidade dos cristais de neve nunca ter feito parte da história do planeta, é pouco provável que dois sejam completamente iguais”, diz ele.
Como se tornar um guru da neve
Para pessoas que querem saber mais sobre cristais de neve, Libbrecht tem um conselho simples: vá por conta própria a um lugar com neve e admire. Libbrecht tira suas fotos com uma câmera microscópica caseira, mas ele diz que mesmo uma lupa de módicos US$ 2 revelará maravilhas: “uma espantosa quantidade de cristais parece areia, como se fossem pequenos torrões, mas você pode falar dos grandes simétricos. É um verdadeiro sinal. Você nunca saber o que irá achar”.
