Hva er egentlig en krystall? Krystaller er faste forbindelser, og det som skiller krystaller fra andre faste forbindelser, er at det eksisterer et indre ordnet m?nster av atomer eller molekyler. For ? beskrive detaljene i en krystall, beh?ver en bare ? beskrive den minste enheten som m?nsteret best?r av og s? beskrive hvordan disse enhetene er stablet. Dette blir omtrent p? samme m?te som med gulvfliser.
Et ordnet indre gir en ordnet ”fasade”. Atomene/molekylene ordner seg i et regelmessig m?nster fordi dette er en gunstig m?te ? spare energi p?. P? samme m?te som systemet sparer energi ved at den indre strukturen ordnes, sparer systemet ogs? energi ved at overflaten danner et regelmessig m?nster. N?r overflaten er s? ordnet som mulig, vil krystallen f? plane flater og spisse kanter. Dersom en krystall hadde hatt form som en kule, ville store deler av overflaten hatt liten grad av orden. (Fig. 1). Den indre strukturen i krystallen er p? denne m?ten med p? ? forme flatene som dannes.
Fig. 3a:
Fig. 3b: Plasseringen av vannmolekylene i de heksagonale prismene som bygger opp strukturen nederst i Fig. 2. De r?de kulene symboliserer oksygen og de hvite hydrogen.
Det magiske tallet seks
Alle sn?krystaller er ”sekskantede”. Astronomen og matematikeren Johannes Kepler (1571-1630) pr?vde i sin tid ? forklare formen til sn?krystallene ut fra at de bestod av tett sammenpakkede, bitte sm? iskuler (Fig. 2a). En slik pakking av sm? iskuler kan forklare hvorfor krystallene har sekskantet form, men vi vet n? at sn?krystallen ikke er bygd opp av kuler. I v?re dager har vi byttet ut iskulene med sm? sekskantede prismer som er stablet tett inntil hverandre (Fig. 2b). Iskrystallen best?r selvf?lgelig ikke av slike prismer heller, men av vannmolekyler (Fig. 3). De danner sekskantede ringer som danner innmaten i prismene i Fig. 2b.
At sn?krystallene blir sekskantede, er nesten litt tilfeldig. Ved h?yere trykk dannes is med annen symmetri enn den heksagonale vi er s? kjent med, og noen av de andre h?ytrykksformene ville kunne gitt firkantede sn?krystaller.
Dersom en krystall hadde best?tt av s? f? prismer som den i Fig. 2b, ville den v?rt forsvinnende liten. Det er omtrent 1 300 000 prismer langs en enkelt arm p? en sn?krystall som er en millimeter, og ikke 17 som i figuren.
Fig. 4: Slik forestiller en seg at en sn?krystall vil bli seende ut dersom vannmolekylene ble sittende p? den plassen de f?rst traff. Bildet er et to-dimensjonalt snitt (fra Ref. [ D ]).
Slik vokser krystallen
En sn?krystall starter ofte livet sitt som en veldig liten vanndr?pe. Dersom temperaturen er under null grader Celsius, kan dr?pen krystallisere og danne et lite, sekskantet prisme. Denne lille krystallen vokser seg st?rre ved at vannmolekyler i luften rundt treffer overflaten og blir sittende p? denne.
Dersom vannmolekylene hadde festet seg og forblitt akkurat der de traff overflaten, hadde det blitt dannet krystaller omtrent som den i Fig. 4. Denne minner ikke om en sn?krystall da den er sv?rt por?s og tilsynelatende uten noen bestemt form. Grunnen til at dette ikke skjer, er at vannmolekylene ikke blir sittende der de f?rst treffer overflaten. Selv om temperaturen er under frysepunktet, vil molekylene vandre rundt p? overflaten til de finner en mer gunstig plass. P? den m?ten forblir ogs? overflaten ordnet. Kanter og kroker p? overflaten er egnede steder til ? feste seg, da vannmolekylet der kan danne flere bindinger til krystallen enn p? en plan overflate ( Fig. 5 ). Mange av molekylene som setter seg p? krystallen, vil ramle av overflaten f?r de finner en slik gunstig plass.
Hvorfor stjerne?
N?r en krystall vokser, bruker den opp vannmolekylene i luften omkring. Derfor dannes det en sone med mindre luftfuktighet i umiddelbar n?rhet av krystallen. Etter hvert som krystallen blir st?rre, blir det kortere vei fra hj?rnene p? krystallen til omr?der med h?yere luftfuktighet enn det er fra midten av sideflatene ( Fig. 6 ). Siden hj?rnene p? den m?ten f?r st?rre tilgang til vannmolekyler enn sideflatene, vil de vokse raskere og danne ”armer” p? krystallen. Dette gir enda tregere vekst av flatene fordi hj?rnene ”stjeler” det meste av vannet i luften omkring. Ettersom armene blir store, vil hj?rnene p? disse ogs? kunne begynne ? vokse raskere enn flatene p? armene. P? denne m?ten dannes nye armer. Dette kalles dendrittisk vekst etter det greske ordet for tre.
Fig. 8: Eksempel p? en meget symmetrisk og pen sn?krystall (Ref. [ B ]).
N?r luftfuktigheten er h?y, blir det dannet sn?krystaller med meget kompliserte armer. Dette er fordi armene og sidearmene vokser meget raskt og p? den m?ten skjermer resten av krystallen, slik at kjernen nesten ikke vokser. Ved lav luftfuktighet vokser krystallen s? langsomt at vannmolekylene ogs? f?r tid til ? finne omr?der midt p? flatene. Dette gir prismeliknende krystaller uten armer.
N?r luftfuktigheten verken er spesielt h?y eller lav, vil det kunne dannes kanter langs omkretsen i stedet for armer. Dette er en mellomting mellom prismevekst og dendrittisk vekst og kalles for Hoppers vekst ( Fig. 7 ).
De karakteristiske sn?krystallene, med sterkt forgrenede armer, dannes alts? ved relativt h?y luftfuktighet, men hvorfor ser alle armene like ut, slik vi for eksempel ser i Fig. 8. Den mest trolige forklaringen p? hvorfor armene er like, er faktisk allerede nevnt. Men f?r vi g?r videre med denne forklaringen, b?r vi kanskje sl? i hjel myten om at alle sn?krystaller er s? symmetriske. Det er lett ? finne sn?krystaller hvor ikke alle armer er like, men de fleste som tar bilder av krystaller, synes de er penere n?r alle armene er like. Derfor finnes det mange flere fotografier av meget symmetriske krystaller enn av dem som er mindre symmetriske.
Ofte er imidlertid sn?krystallene forbl?ffende symmetriske, og grunnen til at de kan bli slik, er at de er s? sm?. Selv om luftfuktighet og temperatur kan variere mye i luftlagene som sn?krystallen daler ned gjennom, er krystallen s? liten at alle armene ”f?ler” den samme temperaturen og luftfuktigheten. Derfor vokser alle armene like fort, og n?r forholdene p? én arm er slik at det er gunstigere ? dele seg enn ? fortsette ? vokse, ”f?ler” de andre armene akkurat de samme forholdene. Derfor dannes nye armer samtidig ( Fig. 6 ).
Temperaturen avgj?r
Det er ikke bare luftfuktigheten som bestemmer krystallenes utseende og hvor hurtig de vokser, temperaturen er ogs? meget viktig. Sn?krystaller som vokser ved ulike temperaturer, f?r forskjellig utseende.
Fig. 9a:
Fig. 9b: Vannmolekylene danner forskjellig arrangement p? topp- (venstre) og sideflatene (h?yre) til sn?krystallene. Dette f?rer til at veksten er forskjellig p? disse flatene, og former fra tynne plater til lange n?ler kan dannes.
Det finnes sn?krystaller som er flate plater og de som er lange s?yler. ?rsaken til dette er at vannmolekylene p? sideflatene til en sn?krystall er ordnet p? en annen m?te enn de p? topp- og bunnflaten (Fig. 9). Disse to settene med flater har derfor litt forskjellige egenskaper. Dette f?rer til at vannmolekylene har forskjellig evne til ? sette seg p? de to typene flater. Denne festeevnen endrer seg med temperatur slik at det i temperaturintervallene 0 til –4 °C og –10 til –25 °C er lettere for vannmolekylene ? feste seg p? sideflatene enn p? topp– og bunnflaten, og det dannes plater. Ved andre temperaturer er det lettere for vannmolekylene ? sette seg p? topp– eller bunnflaten enn p? sideflatene. Sn?krystallene vil da bli mer eller mindre s?yleformede.
Hvorfor forskjellige?
Det heter seg at det ikke finnes to helt like sn?krystaller. Dette er nok riktig for krystaller som er dannet i naturen, men lager vi krystallene i laboratoriet, vil vi kunne f? dem like hver gang. Grunnen til at sn?krystallene i naturen blir forskjellige, er at ingen av dem har v?rt igjennom akkurat den samme turen fra de ble dannet for eksempel 20 kilometer over bakken. P? veien ned blir sn?krystallen bl?st rundt og kommer inn i luft med forskjellig luftfuktighet og temperatur. Selv sv?rt sm? forskjeller i temperatur og luftfuktighet under veksten f?rer til at krystallene blir ulike.
Formen som krystallen har n?r den n?r bakken, gjenspeiler derfor alle milj?forandringene den har v?rt igjennom. Derfor kan den i prinsippet fortelle hvordan temperatur og luftfuktighet endres i atmosf?ren, ja, den fungerer n?rmest som en ferdskriver som registrerer endringer i luftfuktighet og temperatur.
Hvordan overmetning av vann og temperatur er med p? ? forme de sn?krystallene som dannes (Ref [ C ]) Fig. 10
N? gjenst?r det bare ? g? ut og nyte naturen. Sn?krystallene er lette ? observere dersom de samles p? et kaldt t?ystykke som ull eller en fleecegenser og s? studeres med lupe. Lykke til!
Referanser [ A ] W. Tape, Atmospheric Halos, Antarctic Research Series, Vol. 64 (American Geophysical Union, 1994). [ B ] A Drop of Water, by Walter Wick (Scholastic, 1997). [ C ] Y. Furukawa, Chemie in unserer Zeit, Vol. 31 (1997). 1 [ D ] Islands of Truth: a Mathematical Mystery Cruise, by I. Peterson (W.H. Freeman and Company, 1990).