Le physicien Kenneth Libbrecht peut fabriquer des flocons de neige avec des fuseaux élégants ou des languettes en forme de bloc en manipulant la température et l’humidité.

Nous sommes à une époque où les scientifiques peuvent détecter les particules infinitésimales qui confèrent une masse aux atomes et explorent certains des mystères les plus profonds de la biologie, comme la manière dont les expériences et les souvenirs peuvent être transmis à travers les gènes d’un organisme.

Il peut donc être surprenant que nous ne comprenions toujours pas les mécanismes d’un phénomène naturel relativement simple : la neige.

La formation des flocons de neige – essentiellement la façon particulière dont l’eau cristallise lorsqu’elle est en suspension dans notre atmosphère – est un processus extrêmement complexe qui n’a pas encore été entièrement décrit par des formules scientifiques. « Les gens pensent qu’un flocon de neige n’est qu’une goutte de pluie gelée », explique Kenneth Libbrecht, professeur de physique à Caltech, qui a passé les dernières décennies à étudier le processus de formation des flocons de neige. « Mais c’est de la neige fondue, juste de petits glaçons, et ce n’est même pas ce qu’est un flocon de neige. »

Un flocon de neige pousse dans le laboratoire de Libbrecht, accéléré

Au fil de ses recherches, le travail de Libbrecht s’est développé pour englober l’art et la science. Il a produit à la fois des articles scientifiques et des centaines de belles photos de flocons de neige naturels (qu’il a publiés dans plusieurs livres différents et qui ont figuré sur des timbres-poste américains), et a également conçu des moyens ingénieux de faire pousser artificiellement des flocons de neige dans un laboratoire pour étudier leur formation dans des détails microscopiques.

Mais tout a commencé, dit-il, par un voyage de retour dans sa maison d’enfance, le Dakota du Nord. « Je rendais visite à ma famille là-bas, je suis sorti et il y avait toute cette neige au sol », dit-il. « J’ai soudain pensé : ‘Pourquoi est-ce que je ne comprends pas mieux ces flocons de neige ?' »

Cela a conduit Libbrecht à commencer à étudier la dynamique de la formation des flocons de neige dans son laboratoire, entre des recherches sur des sujets plus ésotériques comme les lasers à diode tournante et le bruit émis par les supernovae. « J’ai réalisé que beaucoup de choses sur les flocons de neige n’étaient tout simplement pas très bien comprises et que la glace était un matériau assez peu coûteux à travailler », dit-il.

La formation d’un seul flocon de neige est un événement complexe au niveau moléculaire. Dans la nature, cela commence lorsque la vapeur d’eau d’un nuage se condense en gouttelettes d’eau. Même à des températures inférieures à zéro, la plupart de ces gouttelettes restent généralement sous forme liquide, car elles ont besoin d’une particule sur laquelle geler : soit une particule de poussière, soit quelques molécules d’eau qui se sont disposées dans la matrice hexagonale qui caractérise la glace.

Cependant, une fois que les gouttelettes commencent à cristalliser sur une particule centrale, le processus s’accélère rapidement. Avec un noyau cristallin en place, les molécules d’eau surfondues dans les gouttelettes d’eau environnantes se condensent facilement sur le cristal, contribuant ainsi à sa croissance d’une manière géométriquement régulière. Au moment où le gros cristal (que nous appelons flocon de neige) aura quitté le nuage, Libbrecht estime qu’il aura absorbé l’eau d’environ 100 000 gouttelettes proches.

Tout cela peut paraître simple, mais comme Libbrecht et d’autres scientifiques l’ont découvert, de légers changements dans les circonstances de ces cristaux (l’humidité et la température du nuage, pour commencer) peuvent conduire à des flocons d’apparence radicalement différente. Pour mieux comprendre ces dynamiques, réalisa Libbrecht, il lui fallait un moyen d’observer le processus de croissance réel des flocons de neige. Sans moyen de s’intégrer dans un nuage flottant, il a décidé de développer une méthode pour faire pousser artificiellement des flocons de neige dans son laboratoire californien.

« Faire croître un cristal individuel de telle manière qu’il ressemble à un flocon de neige n’est pas facile », dit-il. « Si vous voulez du givre – juste un tas de cristaux poussant tous en même temps – c’est assez simple, mais les cristaux individuels sont plus délicats. »

Le procédé Libbrecht, développé au cours des dernières années, se déroule en chambre froide et dure environ 45 minutes au total. Il commence avec un morceau de verre complètement propre et y disperse de nombreux cristaux de glace microscopiques. Avec un microscope, il isole un cristal particulier, puis souffle de l’air humide légèrement plus chaud sur le verre. La vapeur d’eau se condense sur le cristal germe, comme dans un vrai nuage, pour finalement former un flocon de neige visible.

En travaillant avec ce processus, Libbrecht a déterminé les niveaux de température et d’humidité qui conduisent à chaque type particulier de flocon de neige. « Je les appelle des » flocons de neige design « , car vous pouvez modifier les conditions au fur et à mesure que vous les cultivez et prédire à quoi ils ressembleront », dit-il. Entre autres choses, il a découvert qu’un flocon de neige avec un bord fin pousse plus rapidement, ce qui rend le bord encore plus aiguisé, conduisant finalement à un flocon relativement gros. Les flocons de neige qui commencent par des bords plus émoussés grandissent cependant plus lentement et restent émoussés, conduisant à des prismes en blocs plutôt qu’à des plaques élégantes.

Finalement, lorsque Libbrecht voulut publier un livre sur son travail, il découvrit que, même si elles étaient bonnes pour l’époque, la plupart des photos de flocons de neige disponibles étaient obsolètes, comme celles prises par Wilson Bentley dans les années 1930. En réponse, il a commencé à les photographier lui-même en haute résolution, en utilisant un équipement spécialisé et parfois des lumières colorées pour donner aux flocons clairs une couleur et une profondeur accrues.

​Qu’en est-il de l’idée commune selon laquelle il n’y a pas deux flocons de neige identiques ? « Tout le monde me demande toujours ça », dit Libbrecht.

Il s’avère que la réponse est un problème mathématique. Si vous définissez un flocon de neige comme étant composé de seulement dix molécules d’eau, il est alors possible que deux flocons différents soient identiques au niveau moléculaire. Mais pour un flocon de taille réelle, dit-il, il est extrêmement improbable que vous en rencontriez deux identiques qui se produisent naturellement – ​​de la même manière que les chances d’avoir deux empreintes digitales humaines identiques sont extrêmement faibles. « Dès que l’on commence à rendre les choses ne serait-ce qu’un peu compliquées, le nombre de possibilités augmente de façon astronomique, et la probabilité d’avoir même deux flocons de neige qui se ressemblent de loin tombe à zéro », dit-il.

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