Il y a plus de 400 ans, Le mathématicien et scientifique de renom Johannes Kepler a spéculé sur la création de l'une des formes les plus angéliques et uniques de la nature :le flocon de neige à six faces. Bien que les atomes ne soient découverts que plus de deux siècles plus tard, Kepler a ouvertement réfléchi aux blocs de construction microscopiques qui ont conduit à la formation hexagonale du cristal de glace, y compris la myriade de facteurs à l'origine de ce phénomène récurrent.

Maintenant, des recherches menées par un chimiste de l'Université Tufts ont répondu aux questions de Kepler en apportant un nouvel éclairage sur ce processus en combinant une rétrodiffusion d'électrons avec un grand modèle de glace monocristalline. Dans une étude publiée dans le Actes de l'Académie nationale des sciences , les scientifiques ont découvert que les côtés plats d'un cristal de glace sont formés par un hexagone plus grand et constitué d'une molécule d'eau centrale entourée de six autres dans la même couche.

Mary Jane Shultz, Doctorat., professeur de chimie à l'École des arts et des sciences de l'Université Tufts et premier auteur de l'étude, ledit hexagone en forme de chaise a trois molécules dans une couche et trois plus légèrement plus bas dans ce qu'on appelle une structure bicouche. Les six côtés plats d'un flocon de neige se développent à partir d'un hexagone formé dans une couche. Cet hexagone plus grand est tourné de 30 degrés par rapport à l'hexagone en forme de chaise.

"Les flocons de neige se développent à partir de la vapeur d'eau. Les faces qui dégagent le plus de chaleur (par unité de surface) se vaporisent, " dit Shultz. " La face avec le moins de dégagement de chaleur est la face hexagonale; est ensuite la face plate du plus grand hexagone. Le côté plat de l'hexagone en forme de chaise libère le plus de chaleur par zone, qui se vaporise. Ainsi, le prisme hexagonal du flocon de neige a des côtés plats qui correspondent au plus grand hexagone."

Les résultats de l'étude réfutent les hypothèses précédentes selon lesquelles les flocons de neige poussent à partir des côtés plats de l'hexagone en forme de chaise, a dit Shultz.

Pour déterminer comment la formation se produit, les chercheurs ont construit un modèle qui équilibre la chaleur libérée lorsque les molécules sont incorporées dans le réseau solide par rapport à la probabilité d'une fixation réussie. La combinaison de techniques macroscopiques et moléculaires a permis à l'équipe d'étudier la même surface à différentes échelles.

La sonde macroscopique est utilisée depuis des décennies pour étudier la glace. Cette technique produit les belles images visuelles de la forme hexagonale macroscopique. La sonde au niveau moléculaire est plus récente. Alors qu'une radiographie est couramment utilisée pour montrer le niveau moléculaire, Shultz et son équipe ont choisi d'utiliser la technique de diffraction par rétrodiffusion d'électrons, qui produit des tracés de densité d'orientation qui sont plus illustratifs et visuellement convaincants.

"Un suivi minutieux de l'orientation de l'échantillon nous a permis de lier les deux images pour produire la connexion, " elle a dit.

La recherche a confirmé que les points de flocon de neige s'alignent avec les axes cristallographiques a indiqués comme des points chauds dans les données de rétrodiffusion des électrons. L'importance est que le côté plat d'un flocon de neige se compose d'une structure bicouche. La face basale est un hexagone en forme de chaise; l'altération de haut en bas forme une bicouche. Le côté plat est un hexagone en forme de bateau composé de paires de molécules d'eau reliant des paires dans la moitié inférieure de la bicouche. La flexibilité et la mobilité d'une paire devraient se traduire par une réactivité unique de ce visage, y compris la conversion potentiellement catalysante de gaz comme le CO2 et les oxydes d'azote dans l'atmosphère. Shultz a déclaré que l'équipe enquêtait maintenant sur cette réactivité.