¿Por qué los copos de nieve son simétricos?

Cuando el agua se congela, obtienes hielo. El hielo, como muchos materiales sólidos, forma una estructura cristalina. En el caso del agua, la estructura cristalina puede atribuirse al enlace de hidrógeno, un tipo especial de interacción atractiva.

Entonces, un gran trozo de hielo tendrá una estructura cristalina: direcciones preferidas, simetría de traslación y algunas simetrías de rotación.

Pero ¿qué pasa con un copo de nieve?

Un copo de nieve se diferencia de un gran trozo de hielo en que es pequeño. Aún más importante, está en proceso de crecimiento. Debes pensar en el proceso en el que se creó el copo de nieve.

Al principio era pequeño. Unos pocos átomos formaron una pequeña pieza de cristal. Una pieza tan pequeña de cristal casi siempre tiene alguna simetría hexagonal (o diferente). ¿Qué pasa si esperas un rato y se sigue congelando?

Bueno, las moléculas de agua se agregan al cristal porque se favorece energéticamente: el vapor se convierte en hielo, y se necesita vapor para crear copos de nieve porque el agua líquida se congela de manera diferente.

La naturaleza añade una molécula de agua a la vez. Las moléculas siempre tratan de elegir la posición más favorecida energéticamente en el cuerpo congelado. Debido a que estas leyes de creación de un copo de nieve son simétricas con respecto a las simetrías rotacionales, se deduce que se conservará cualquier simetría que exista al principio, una simetría hexagonal de un pequeño número de moléculas en el cristal inicial. Es bastante inevitable que todos los brazos crezcan aproximadamente por igual, por lo que el grupo de simetría inicial se conserva y se convierte en la simetría de un objeto macroscópico.

La pregunta más difícil es en realidad por qué los copos de nieve son tan diversos y hermosos. Lo más probable es que no sea casualidad que logren una forma u otra. Cambiar la presión, la temperatura o la humedad en función del tiempo cambia las condiciones que determinan los lugares óptimos donde se debe agregar la nueva molécula de vapor. Pero incluso si la presión, la temperatura y la humedad dependen del tiempo, la simetría hexagonal aún se mantiene.

K Libbrecht tiene un buen artículo que responde a su pregunta con considerable detalle y tiene algunas buenas fotos: su página de inicio: http://www.its.caltech.edu/~atomic/publist/kglpub.htm Desplácese hacia abajo hasta el artículo en American Científico en su lista de publicaciones "La formación de cristales de nieve", KG Libbrecht, American Scientist 95, 52-59 (2007). Ver pdf.

el pdf esta aqui

No todos los copos de nieve son simétricos. Uno puede romper la simetría muy fácilmente introduciendo impurezas o algún artefacto mecánico. En la naturaleza, los copos de nieve tienen mucho tiempo para formarse y es más natural que adopten formas simétricas debido a la estructura molecular del agua.

Es decir, cuando haya más tiempo para que las moléculas se muevan y se posicionen, lo harán de una manera que esté de acuerdo con alguna estructura cristalina que la molécula pueda exhibir (puede usar otras cosas además del agua para obtener "cristales"). ")

La naturaleza de la forma depende de muchos factores, pero para ver que tal diversidad puede provenir de algo simple, solo tiene que mirar los IFS. Básicamente, toma algunas reglas muy simples y genera una gran cantidad de variaciones haciendo pequeños cambios en las reglas.

http://en.wikipedia.org/wiki/Iterated_function_system

No es una respuesta del todo, pero el primer intento de explicar la forma fue publicado por el astrónomo Johannes Kepler en 1611, el original está en latín: "Strena Seu de Nive Sexangula" (Un regalo de año nuevo de nieve hexagonal). Hay una traducción al inglés ("The Six-Cornered Snowflake") disponible en Amazon y en otros lugares.

Tengo entendido que hay dos procesos en funcionamiento en secuencia, primero hay un proceso aleatorio de un H2O que se une, luego un segundo proceso donde los requisitos de equilibrio de energía sobre todo el cristal limitan los puntos de unión permitidos y esto causa la simetría, una vez que todos los los puntos válidos se llenan, la energía se equilibra y un nuevo lugar aleatorio en todo el borde del cristal puede aceptar una molécula. Son una forma de autómatas, y especulo que las reglas están incrustadas en la física cuántica.

Los cristales de nieve natural tienen forma simétrica porque están cargados y varias propiedades del campo electromagnético actúan para mantenerlos simétricos. Puede obtener más información leyendo mi artículo disponible ahora en Research Gate/Roald Schrack