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Belleza cristalina, única y helada: los copos de nieve

En colaboración con Irene Fernández Franco,
estudiante de 1º de  Bachillerato de  A Coruña.

Copo de de nieve fotografiado por Wilson A. Bentley, "The Snowflake man"

Copo de de nieve fotografiado por Wilson A. Bentley, “The Snowflake man”

“La palabra nieve nos trae a la mente ese paisaje teñido de un velo blanco intemporal e incorrupto, forjado a base de innumerables copos de nieve que van cayendo lenta y delicadamente, posándose sin prisa pero sin pausa hasta que cubren todo el paisaje. Esta forma de agua tan aparentemente mágica y bella sin ninguna duda tiene su origen microscópico en esos pequeños cristales de hielo de apariencia tan frágil y que esconde una sorprendente belleza geométrica que contrasta con lo que vemos a nuestra escala, una masa amorfa y moldeable de color blanco y muy fría. Sin embargo, el mundo microscópico a veces, parece sacado de la ciencia ficción. Es una pequeña conspiración en la que los diferentes estados de la materia en el agua se alían para esculpir los copos de nieve”. Miguel Rodríguez Lago, Físico.

El hielo conforma el esqueleto, una matriz que determina la forma que va a adquirir. Después, su crecimiento puede diferir pero tiene la estructura de un fractal (figura geométrica cuya forma se repite con independencia de la escala de tamaño con la que se le observe).

En la superficie de todo hielo hay una capa muy delgada de agua líquida. Aún cuando el hielo se encuentre bien por debajo del punto de congelación del agua, siempre está presente esta capa delgada de agua que existe en forma líquida. Por eso, el hielo es tan resbaladizo. Esta capa delgada de agua existe en la parte superior y en las laterales de un cristal de copo de nieve.

Vídeo sobre la formación de los copos de nieve, desde sus orígenes como partículas de polvo en las nubes hasta que se convierten en gotas de agua que caen a la Tierra.

ESTRUCTURA GEOMÉTRICA

Una pregunta interesante es por qué los brazos de los copos de nieve son simétricos, y por qué ningún par de copos de nieve parecen ser idénticos.

La simetría de los brazos de los ampos siempre es de seis brazos, basada en la estructura hexagonal de los cristales de hielo ordinario.

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Existen dos explicaciones posibles ampliamente conocidas sobre la simetría de los copos de nieve. En primer lugar, podría haber comunicación (transferencia de información) entre los brazos, por lo que el crecimiento en cada brazo afecta al crecimiento de su extremo opuesto. La tensión de la superficie o los fonones es una de las maneras en la que tal comunicación podría ocurrir (el fonón es un modo cuantizado de vibración que se encuentra en las redes cristalinas; para entendernos: el fotón es a las ondas electromagnéticas lo que el fonón a las ondas de vibración en sólidos).

La otra explicación, que parece ser una versión prevaleciente, es que los brazos de un copo de nieve crecen independientemente en un ambiente que se piensa que varía rápidamente en cuanto a su temperatura y humedad. Este ambiente es relativamente homogéneo espacialmente en la escala de un solo copo, provocando el crecimiento de los brazos en un alto nivel de semejanza visual, respondiendo de una misma manera a unas condiciones ambientales idénticas.

Copos iguales de Nancy Knight

Copos iguales de Nancy Knight

El concepto de que no hay dos copos de nieve idénticos podría no ser correcto: es enteramente posible, aunque inverosímil, que un par de copos de nieve puedan ser visualmente idénticos si sus ambientes son suficientemente similares, ya sea porque crecen muy cerca uno del otro, o simplemente por una cuestión de probabilidad. La Sociedad Meteorológica Americana ha divulgado que fueron descubiertos cristales de nieve idénticos por Nancy Knight, del Centro Nacional para la Investigación Atmosférica.

Wilson A. Bentley

Wilson A. Bentley

Sin embargo, el naturalista americano Wilson A. Bentley, quien dedicó 40 años a la investigación, estudio y fotografía de copos de nieve, llegando a obtener más de 5000 fotografías, nunca encontró dos exactamente iguales.

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Copo de nieve, Wilson A. Bentley

Las formas tan complicadas de muchos de los cristales de nieve se deben a sus procesos de crecimiento. Bajo ciertas condiciones atmosféricas el agua se congela y los cristales de hielo crecen rápidamente formando abundantes ramificaciones como las del cristal del centro (dendritas).  En condiciones de crecimiento más lento los cristales de nieve podrían dar lugar a formas más simples como la del cristal de la izquierda.

Estudios más actuales han dividido los copos de nieve según su forma geométrica en 35 tipos diferentes:

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ESTRUCTURA QUÍMICA

Aunque no hay dos copos iguales, todos los cristales de nieve presentan una simetría hexagonal. Esto se debe al orden en el que se colocan las moléculas de agua cuando pasan del estado líquido, donde gozan de gran libertad, al sólido, que es menos permisivo. Al comenzar a helarse, las moléculas acuosas se alinean en su estado de mínima energía.

Para conseguirlo, cada molécula se une a otras cuatro mediante enlaces intermoleculares tipo puentes de hidrógeno que acaban configurando un prisma hexagonal con hexágonos en la parte superior e inferior y con seis caras rectangulares. Esto es un copo:

X-ray

Cristalografía de Rayos X de un copo de nieve con 100000000 aumentos.

 

En esta imagen los átomos de oxígeno se representan como bolas rojas y los átomos de hidrógeno como bolas azules más pequeñas.

Los enlaces entre estos átomos se han dibujado como barras blancas para resaltar la red hexagonal en forma de colmena que forma el conjunto de las moléculas de  H2O.

Todo esto dota a los copos de nieve de una belleza cristalina, única y helada, que no deja indiferente a nadie.

Wilson A. Bentley

Copo de nieve, Wilson A. Bentley

Fuentes: CienciatecaRecuerdos de PandoraTecnoliaMiguiAmazingsZTFNews,  PelucheWindows 2 UniverseSnowflake Bentley

Esta entrada participa en el XXIII Carnaval de la Química alojado en el blog molesybits.

XXIII Carnaval

 

    6 comentarios en "Belleza cristalina, única y helada: los copos de nieve"

    • Luis says

      ¡Guau, qué interesante! Enhorabuena, la entrada es magnífica: bien estructurada, con un lenguaje sencillo y con contenido. La primera foto del copo de nieve de W. A. Bentley es preciosa.

      Por cierto, no he podido reproducir el vídeo que acompaña a la entrada, me dice que el vídeo no existe.

      Gracias por participar en el XXIII Carnaval de la Química 😀

      • Deborah says

        Lo escribió Irene, una de mis alumnas. En principio iba a ser sólo un trabajo de clase, de tema libre, y me sorprendió con esto, escrito con tanta sensibilidad, con sencillez y con rigor científico; es decir, una maravilla, y por eso me pareció que un artículo como éste merecía un lugar bastante mejor que el cajón de mi escritorio.

        Revisé lo del vídeo y parece que sí funciona. No sé qué puede ser.

        Gracias Luis. Un saludo.

    • rubarb says

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    • danny says

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      • deborah says

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        Deborah

    • miguel angel says

      es que no incuentrto una figura cucha apariensias es un diamante con 5 lados

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