Non è tutta neve quella che luccica

di Felicita Quagliozzi

fiocco di neve: immagine fotografica e poesia

Il più crudele dei mesi sarà anche aprile per il poeta ma, per chi un po’ ne mastica di chimica, il titolo spetta a dicembre.  Solo a dicembre ho udito perle come: “Papà, perché spargono il sale sulla strada?” “Perché il sale sciogliendosi scalda, vedi che quando si butta in pentola l’acqua bolle di più?”. Oppure: “Mamma, guarda che luci…” ”Sì, mi piace tanto il neon!” ”E cos’è?” ”Una roba fosforescente”. O anche, a un cenone: “I carboidrati danno energia perché sono lo stesso degli idrocarburi!”. La botta vera però viene dal freddo. Non quello addosso: il cappotto basta. Ma dalla bufera di sedicenti fiocchi di neve con un numero di punte impossibilmente vario: quattro, cinque, sette, otto, nove, undici… e qualche volta, che sollievo, anche sei.

Nell’inconscio di chi progetta bigliettini, addobbi, luminarie, chiudipacco, carta regalo, cotillon all’uncinetto, i fiocchi di neve devono essere pressappoco uguali alle stelle. E siccome le seconde si rappresentano con punte ad libitum, dato che in realtà non ne hanno proprio — stavo per toscaneggiare: non ne hanno punte, ma temevo di sparire in un paradosso spaziotemporale — anche coi fiocchi si lascia la fantasia al potere. E la fantasia digiuna di chimica genera sovra- o sotto-gugliati mostriciattoli.  Esagero? Sì. E allora, invece di lamentarmi, passo a spiegare perché, come e qualmente, i fiocchi di neve di punte ne hanno sei.  O niente.

Sezione della struttura del ghiaccio con evidenziata (in blu) la disposizione tetraedrica dei legami covalenti e idrogeno attorno a un atomo di ossigeno (1)

Sezione della struttura del ghiaccio con evidenziata (in blu) la disposizione tetraedrica dei legami covalenti e idrogeno attorno a un atomo di ossigeno (1)

Cominciamo intanto a chiamarli col loro nome: non fiocchi, ma cristalli . E cominciamo dal micro, perché è lì che si decidono le sorti del macro. Ogni cristallo di neve nasce come minuscolo prisma esagonale. Dove? Tra le nuvole. Immaginate di fare quattro passi in un etereo mare magnum di goccioline d’acqua in sospensione, miste a pulviscolo, particelle di ghiaccio amorfo e molecole di vapore, che fluttuano e si scontrano in un ampio volume d’aria più o meno fredda e turbolenta.

Quando la temperatura è sufficientemente bassa, un granello di polvere fa da nucleo di condensazione attorno al quale una gocciolina di vapore congela e si solidifica . Poi, a mano a mano che la temperatura scende ancora, il movimento delle molecole rallenta finché ciascuna si trova bloccata al vertice di un tetraedro, connessa ad altre quattro mediante legami covalenti e idrogeno. Gli angoli di questi tetraedri sono tali da organizzare più molecole secondo un reticolo esagonale e tridimensionale, a diversi strati .

angoli di legame in acqua liquida e ghiaccioDi fatto, un mutamento rimarchevole correlato alla formazione di un tessuto reticolare sta nel lieve ampliamento dell’angolo di legame H-O-H. Nell’acqua liquida, per effetto della compressione esercitata dai doppietti elettronici, è di 104,5°, mentre il passaggio alla fase solida lo stabilizza sui 109,5 gradi di un tetraedro perfetto .

Stabilito questo, da lì è tutto in discesa. Nel senso che, a seconda delle condizioni che l’umidità in via di glaciazione incontra prima di arrivare a terra, questa struttura di base dà origine all’infinita varietà di fiocchi di neve che ci fa restare a bocca aperta (e spesso anche a lingua fuori). L’antico adagio che sostiene non esistano due fiocchi di neve uguali si spiega pensando che non esistono due fiocchi di neve che provengano da un’identica storia e geografia.

Forma dei cristalli di neve in relazione a temperatura dell'atmosfera ed alla saturazione del vapore d'acqua

Forma dei cristalli di neve in relazione a temperatura dell’atmosfera ed alla saturazione del vapore d’acqua

Vagando all’interno della nuvola e poi, quando raggiunge un peso sufficiente, precipitando, il fiocco di neve incontra temperature dell’aria diverse, e diversi livelli di umidità e pressione . La simmetria esagonale ‘pura e dura’ che caratterizza il ghiaccio Ih resta tanto più evidente quanto meno il cristallo primigenio viene sollecitato, disturbato, ostacolato . Se si forma poco sotto il punto di congelamento e a bassi livelli di sovrasaturazione, il prisma iniziale cambia poco il suo abito esteriore e si presenta come una piastrina esagonale. A volte invece si accresce secondo l’asse che passa per il centro, diventando aghiforme, o producendo una colonnina cava, con o senza piastrine alle estremità .

esempi forme cristalli di neveMa l’incanto del fiocco barocco si genera perché gli angoli dell’esagono iniziale, più esposti, si prestano meglio allo sviluppo degli strati successivi di accrescimento. Il processo che sta alla base degli irraggiamenti felciformi è un’instabilità di Mullins-Sekerka, che diventa rilevante nella nube nevigena quando la sovrasaturazione supera il 30%. Il fenomeno descrive il modo in cui, quando una superficie si accresce a spese del fluido con cui è a contatto, ogni increspatura aumenta la differenza di temperatura tra la protuberanza stessa e il fluido circostante, e di conseguenza la velocità di intercettazione, solidificazione e deposizione del nuovo materiale.

Tornando al nostro fiocco in fieri, capiamo dunque come, se l’ambiente collabora, il prisma originario si arricchisce sprizzando da ogni spigolo gemme, ramificazioni, dendriti ad alto sapore frattale . E mentre subisce tali e tante trasformazioni, la neve ingloba anche aria. Così perde trasparenza, e fragile, rigida, candida, scricchiola sotto i nostri passi.

ipotesi di Keplero sulla cristallizzazione neve nel trattato del 1611 "De Nive Sexangula"Bene, ora è tutto chiaro e cristallino. Sarebbe contento di saperlo Keplero, che nel trattato “De Nive Sexangula”, A.D. 1611, si lambiccava: “Una causa ci dev’essere se i fiocchi di neve assumono sempre la forma di una stellina a sei angoli. Non può essere un caso. Sei, perché sempre sei? La causa non va cercata nel materiale, perché il vapor d’acqua è privo di forma e fluisce”.

Keplero ipotizzava l’arcano fosse opera di un quid capace di disporre i ‘globuli ghiacciati’, che rappresentano ‘la più piccola unità naturale di un liquido come l’acqua’, in una configurazione spaziale regolare e ordinata. In parte ispirato al credo platonico che vedeva ogni realtà materiale costituita da poliedri regolari, in parte informato dall’idea atomica democritea, il buon Johannes all’eureka c’era andato vicino vicino. Immaginava però che il coreografo dell’organizzazione esagonale fosse un agente esterno, che vincolava e impacchettava le unità ghiacciate in modo serrato e simile alle cellette esagonali di un favo mellifero, questione che pure aveva investigato . E in ogni caso la sua teoria non poteva dare conto delle forme arborescenti, dendritiche, per le quali ci vogliono altri strumenti di indagine , altre spiegazioni: ma si capisce, ai tempi suoi atomi e molecole colti sul fatto li poteva osservare soltanto in sogno.

cristalli di neve realizzati con la lanaIl sogno, per me, è l’atmosfera che c’è ora fuori. Soffusa, le luci della sera brillano nell’aria gelida che neve non ha ancora mantenuto, ma promette. Rileggo ciò che ho scritto. Osservo compiaciuta che su Facebook nel mio gruppo di crochet fioccano cristalli di lattea lana, rigorosamente esagonali . Mi sento nel mio piccolo sostenuta dallo stesso afflato che motivò Thomas Koop a scrivere una letteraccia all’eminente Nature, il giorno che illustrò la campagna abbonamenti con un mannaro fiocco ottagonale, aggravando l’autogol con la scritta “…for anyone who loves science”. Correva il 2009, e Koop non risparmiò parole di fuoco: “Noi che amiamo tanto la scienza quanto il design accattivante dovremmo mirare alla fusione istantanea d’ogni cristallo di neve a quattro, cinque ed otto punte ”.

insoliti cristalli di ghiaccio pentagonaliO no? Ho da poco scoperto che il cristallografo britannico Alan Mackay pubblicò nel 1981 uno studio dal titolo “De Nive Quinquangula” in cui, partendo da tassellature di Penrose, dimostra la possibilità di pattern cristallini a simmetria pentagonale in due e tre dimensioni, anticipando il lavoro sui quasicristalli che valse a Schechtman il Nobel per la Chimica nel 2011. E sempre in UK un laboratorio ha prodotto cristalli di ghiaccio pentagonali, su un supporto di fili di rame che influenza l’orientamento delle molecole modificandone la tendenza consueta. Non li vedo tanto adatti a tirar su un pupazzo di neve grosso e grasso, ma come naso, al posto della carota, farebbero un figurone – beninteso in nanoscala. Non si finisce mai di imparare.

Chissà.  Magari una buia e tempestosa notte di vigilia verremo travolti da raffiche di candidi cristalli a forma di drago alato che modulano l’ululato del vento in melodie da zampogna. A Natale sono tutti più sciolti: con doppia dose della crema al rum che fa mia sorella, si squaglia anche il chimicastigamatti che è in me .

 


BIBLIOGRAFIA

(1) http://www.penciltribe.com/cms/wp-content/uploads/2013/04/Brian_snowflake.jpg

(2) Rarissime eccezioni: a volte la neve a piastrine appare grossolanamente triangolare, quando alcune facce dell’esagono si sviluppano più delle altre, mentre di tanto in tanto due fiocchi si saldano al centro in posizione sfalsata di 30° l’uno rispetto all’altro assumendo l’aspetto di un fiocco a dodici punte. http://www.snowaddiction.org/2013/08/a-guide-to-snowflakes.html

(3) La parola cristallo viene dal greco κρύσταλλος, che significa proprio acqua gelata, ghiaccio.

(4) Non aveva dunque tutti i torti Teofrasto, allievo di Aristotele, quando affermava che i cristalli si riproducono per mezzo di semi.  L’utilità di un granello/seme/nucleo che inneschi il processo di cristallizzazione vale anche per le gemme che si formano dal raffreddamento del magma e per i cristalli prodotti artificialmente.

(5) Questa configurazione si riferisce solo ad una delle quattordici fasi solide dell’acqua possibili: il ghiaccio Ih, che è l’unico reperibile sul nostro Pianeta ad eccezione di una piccola quantità di ghiaccio Ic che si forma occasionalmente negli strati più alti dell’atmosfera. Il ghiaccio Ih è dotato di peculiarità rilevanti per l’esistenza della vita e la regolazione del clima. In particolare, gli spazi vuoti tra i nodi del reticolo abbassano la sua densità rispetto all’acqua liquida, proprietà che permette al ghiaccio di galleggiare sulla superficie di mari, laghi e fiumi, così da preservare e proteggere la vita sottostante. http://archivioscienze.scuola.zanichelli.it/in-evidenza/2011/01/25/ghiaccio-e-neve/

(6) http://www.minerva.unito.it/Informazione/DidatticaFisici/2010/Lezioni_17_18.pdf

(7) Volendo osservare in tempo reale il celeste precipitato, è utile munirsi di un tessuto scuro e leggermente peloso su cui far adagiare i fiocchi cadenti, e di una lente d’ingrandimento x8 o x10. Se si preferisce usare il microscopio ottico, va da sé è necessario raffreddare il piano su cui poggia il vetrino. Indi, per classificare accuratamente i reperti, ci si può basare sulla trattazione esaustiva delle diverse tipologie di precipitazioni ghiacciate, dalla neve alla grandine, che si trova qui: http://www.nimbus.it/liguria/rlm11/neve.htm .

(8) La formazione della fase solida cristallina di un materiale è un processo molto sensibile alle condizioni al contorno. La struttura molecolare è solo una delle concause che contribuiscono al risultato finale, tangibile e visibile. Fattori dinamici e meccanici, sottili equilibri chimico-fisici influenzano velocità e sedi di accrescimento portando a differenze anche notevoli tra un esemplare e l’altro, al punto che alcuni cristalli non sono nemmeno riconoscibili come tali, a occhio nudo. Pensateci, la prossima volta che mettete nell’aperitivo un cubetto di ghiaccio.

(9) http://www.newscientist.com/gallery/dn16170-snowflakes/13, http://ryanhanrahan.files.wordpress.com/2012/01/habits.gif?w=584

(10) Chi desidera prodursi in casa un bel fiocco frattale fai-da te, guardi qui http://www.frattali.it/fioccokoch.htm

(11) Dobbiamo al matematico ungherese Lâszló Fejes Tóth la dimostrazione del fatto che una tassellatura a esagoni regolari richiede il minor perimetro totale in rapporto alla superficie coperta. Passando al 3D, in verità Tóth dimostrò anche che le api, modificando i rombi di chiusura delle cellette, avrebbero potuto migliorarne ancora l’efficienza risparmiando lo 0,035% di materiale da costruzione, ma il dipartimento R&D dell’alveare non sembra finora aver colto il suggerimento.

(12) http://en.wikipedia.org/wiki/X-ray_crystallography

(13) La fondatrice, Roberta Castiglione, è architetto, e l’occhio progettuale attento al sapiente uso dello spazio si ritrova sempre nei suoi lavori. Il gruppo Social Crochet è chiuso e i lavori non sono visibili agli esterni, ma un esempio si trova sulla relativa pagina. https://www.facebook.com/photo.php?fbid=10151593609624159&set=a.117276854158.88477.41125239158&type=1&theater

(14) http://www.theguardian.com/science/2009/dec/23/christmas-card-snowflakes-nature-physics

(15) In rete si trovano l’originale russo — per amatori — e la traduzione inglese http://met.iisc.ernet.in/~lord/webfiles/Alan/CV073eng.pdf.

(16) http://www.newscientist.com/gallery/dn16715-pentagonal-ice/

(17) A Natale hanno anche quasi tutti più tempo: guardate che meraviglia di macrofotografie è riuscito a scattare questo signore, grazie a un astuto hackeraggio di materiale fotografico comune. Può essere un’idea da copiare per le feste! http://www.boredpanda.com/snowflake-macro-photography-diy-alexey-kljatov/

 

2 risposte a Non è tutta neve quella che luccica

  • Nina scrive:

    grazie, Paolo! vedo solo ora il tuo preciso e puntuale commento, su cui non posso che essere d’accordo al 173% (percentuale calcolata dopo lauto brindisi prenatalizio)… Buone Feste!

  • Paolo scrive:

    Ciao, chimicastigamatti!
    Solidarizzo con te per l’abominio delle decorazioni natalizie con cristalli di neve a n punte (n ≠ 6) che affollano vetrine e luminarie del centro!
    Vorrei segnalarti, dato che si parla di divulgazione scientifica, che la frase
    “il sale sciogliendosi scalda, vedi che quando si butta in pentola l’acqua bolle di più?”
    contiene due errori.
    Sarai curiosa di scoprirli da sola, immagino. Sotto, tuttavia, metto la soluzione per gli altri lettori ;-)
    .
    SPOILER
    .
    Il primo è che lo scioglimento del sale è un processo endotermico, cioè richiede calore dall’ambiente circostante, quindi raffredda, non scalda. Come si vede dall’uso delle miscele frigorifere, che sennò non funzionerebbero:
    http://bressanini-lescienze.blogautore.espresso.repubblica.it/2010/03/09/miscele-frigorifere/
    https://it.wikipedia.org/wiki/Miscela_frigorifera
    (e in ogni caso si può sempre fare la prova in casa…)
    Il secondo è che l’improvvisa accelerazione dell’ebollizione quando si tira una manciata di sale nell’acqua bollente dipende dalla disponibilità di irregolarità solide sulle quali il vapore può creare bolle. Si ha lo stesso effetto buttando nell’acqua bollente una manciata di sabbia.
    Il fenomeno è analogo (dall’altra parte dell’intervallo termico di liquidità dell’acqua) al gelicidio di acqua sopraffusa:
    https://it.wikipedia.org/wiki/Gelicidio
    https://it.wikipedia.org/wiki/Sopraffusione
    Per questi, e per altri motivi (come la differenza di temperatura a numeratore nella legge di Fourier: https://it.wikipedia.org/wiki/Conduzione_termica#Legge_di_Fourier), è più conveniente mettere il sale nell’acqua PRIMA di metterla sul fuoco (al contrario di quello che fa la maggior parte della gente…)

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