Più di 400 anni fa, il famoso matematico e scienziato Johannes Kepler ha ipotizzato la creazione di una delle forme più angeliche e uniche della natura:il fiocco di neve a sei facce. Sebbene gli atomi non sarebbero stati scoperti fino a oltre due secoli dopo, Keplero rifletteva apertamente sui microscopici mattoni che portano alla formazione esagonale del cristallo di ghiaccio, compresa la miriade di fattori alla base di questo fenomeno ricorrente.

Ora, la ricerca condotta da un chimico della Tufts University ha risposto alle domande di Kepler gettando nuova luce su questo processo combinando una retrodiffusione di elettroni con un grande modello di ghiaccio monocristallino. In uno studio pubblicato su Atti dell'Accademia Nazionale delle Scienze , gli scienziati hanno scoperto che i lati piatti di un cristallo di ghiaccio sono formati da un esagono più grande e costituito da una molecola d'acqua centrale circondata da altre sei nello stesso strato.

Mary Jane Shultz, dottorato di ricerca, professore di chimica presso la School of Arts and Sciences della Tufts University e primo autore dello studio, detto l'esagono a forma di sedia ha tre molecole in uno strato e altre tre leggermente più in basso in quella che viene chiamata una struttura a doppio strato. I sei lati piatti di un fiocco di neve crescono da un esagono formato all'interno di uno strato. Questo esagono più grande viene ruotato di 30 gradi rispetto all'esagono a forma di sedia.

"I fiocchi di neve crescono dal vapore acqueo. I volti che rilasciano più calore (per unità di superficie) vaporizzano, " ha detto Shultz. "La faccia con il minor rilascio di calore è la faccia esagonale; la prossima è la faccia piatta dell'esagono più grande. Il lato piatto dell'esagono a forma di sedia rilascia la maggior parte del calore per area, che si vaporizza. Così, il prisma esagonale fiocco di neve ha lati piatti che corrispondono all'esagono più grande."

I risultati dello studio smentiscono le ipotesi precedenti secondo cui i fiocchi di neve crescono dai lati piatti dell'esagono a forma di sedia, ha detto Shultz.

Per determinare come avviene la formazione, i ricercatori hanno costruito un modello che bilancia il calore rilasciato quando le molecole sono incorporate nel reticolo solido rispetto alla probabilità di un attaccamento riuscito. La combinazione di tecniche macroscopiche e molecolari ha permesso al team di studiare la stessa superficie su scale diverse.

La sonda macroscopica è stata utilizzata per decenni per studiare il ghiaccio. Questa tecnica produce le bellissime immagini visive della forma esagonale macroscopica. La sonda a livello molecolare è più recente. Mentre una radiografia è comunemente usata per mostrare il livello molecolare, Shultz e il suo team hanno deciso di utilizzare la tecnica della diffrazione a retrodiffusione di elettroni, che produce grafici della densità di orientamento più illustrativi e visivamente accattivanti.

"Un accurato monitoraggio dell'orientamento del campione ci ha permesso di collegare le due immagini per produrre la connessione, " lei disse.

La ricerca ha confermato che i punti del fiocco di neve si allineano con gli assi cristallografici mostrati come punti caldi nei dati di retrodiffusione degli elettroni. Il significato è che il lato piatto di un fiocco di neve è costituito da una struttura a doppio strato. La faccia basale è un esagono a forma di sedia; l'alterazione up-down forma un doppio strato. Il lato piatto è un esagono a forma di barca costituito da coppie di molecole d'acqua che collegano coppie nella metà inferiore del doppio strato. Si prevede che la flessibilità e la mobilità di una coppia si traduca in una reattività unica di questa faccia, compresa la conversione potenzialmente catalizzante di gas come CO2 e ossidi di azoto nell'atmosfera. Shultz ha detto che il team sta ora indagando su questa reattività.