Kita berada di zaman ketika para ilmuwan dapat mendeteksi partikel-partikel sangat kecil yang memberkahi atom dengan massa dan sedang menyelidiki beberapa misteri biologi terdalam, seperti bagaimana pengalaman dan ingatan dapat diturunkan melalui gen organisme.
Jadi, mungkin mengejutkan bahwa kita masih tidak mengerti mekanisme dari fenomena alam yang relatif sederhana: salju.
Pembentukan kepingan salju — pada dasarnya, cara istimewa air yang mengkristal ketika ditangguhkan di atmosfer kita — adalah proses yang sangat kompleks yang masih belum sepenuhnya dijelaskan oleh formula ilmiah. "Orang-orang berpikir bahwa kepingan salju hanyalah tetesan hujan beku, " kata profesor fisika Caltech, Kenneth Libbrecht, yang menghabiskan beberapa dekade terakhir mempelajari proses pembentukan kepingan salju. "Tapi itu hujan es, hanya es batu kecil, dan bahkan tidak mendekati apa itu kepingan salju."
Kepingan salju tumbuh di laboratorium Libbrecht, dipercepat
Selama penelitiannya, karya Libbrecht telah berkembang untuk mencakup seni dan sains. Dia menghasilkan makalah ilmiah dan ratusan foto indah kepingan salju alami (yang dia terbitkan dalam beberapa buku berbeda dan tampil di perangko AS), dan juga menemukan cara-cara cerdas untuk menanamkan kepingan salju secara buatan di laboratorium untuk mempelajari pembentukannya dalam detail mikroskopis.
Tetapi semuanya dimulai, katanya, dengan perjalanan kembali ke rumah masa kecilnya di North Dakota. "Saya mengunjungi keluarga saya di sana, dan saya pergi ke luar, dan ada salju di tanah, " katanya. "Tiba-tiba aku berpikir, 'Kenapa aku tidak mengerti lebih banyak tentang kepingan salju ini?'"
Hal itu membuat Libbrecht mulai mempelajari dinamika pembentukan kepingan salju di labnya, di antara penelitian subjek yang lebih esoteris seperti laser dioda yang dapat diputar dan kebisingan yang dikeluarkan oleh supernova. "Saya menyadari bahwa banyak tentang kepingan salju tidak dipahami dengan baik, dan bahwa es adalah bahan yang cukup murah untuk digunakan, " katanya.
Pembentukan bahkan kepingan salju tunggal adalah peristiwa kompleks di tingkat molekuler. Di alam, itu dimulai ketika uap air awan mengembun menjadi tetesan air. Bahkan pada suhu di bawah titik beku, sebagian besar tetesan ini biasanya tetap dalam bentuk cair, karena mereka membutuhkan partikel untuk membeku: baik partikel debu atau beberapa molekul air yang telah menyusun diri menjadi matriks heksagonal yang menjadi ciri es.
Namun, setelah tetesan mulai mengkristal pada partikel pusat, prosesnya berakselerasi dengan cepat. Dengan adanya nukleus kristal, molekul air yang sangat dingin di tetesan air di sekitarnya siap mengembun pada kristal, menambah pertumbuhannya secara teratur secara geometris. Pada saat kristal besar (yang kita sebut kepingan salju) telah meninggalkan awan, Libbrecht memperkirakan bahwa ia akan menyerap air dari sekitar 100.000 tetesan terdekat.
Semua itu mungkin terdengar sederhana, tetapi seperti yang ditemukan Libbrecht dan ilmuwan lain, sedikit perubahan dalam keadaan kristal ini — kelembaban dan suhu awan, sebagai permulaan — dapat menyebabkan serpihan yang tampak sangat berbeda. Untuk lebih memahami dinamika ini, Libbrecht menyadari, dia membutuhkan cara untuk mengamati proses pertumbuhan aktual dari kepingan salju. Tanpa cara menanamkan dirinya dalam awan mengambang, ia memutuskan untuk mengembangkan metode untuk menumbuhkan kepingan salju di laboratorium California-nya.
"Untuk membuat kristal individu tumbuh sedemikian rupa sehingga terlihat seperti kepingan salju tidak mudah, " katanya. "Jika kamu ingin es — hanya sekelompok kristal yang tumbuh sekaligus - itu cukup sederhana, tetapi kristal individu lebih rumit."
Proses Libbrecht, dikembangkan selama beberapa tahun terakhir, dilakukan di ruang dingin dan memakan waktu sekitar 45 menit total. Dia mulai dengan sepotong kaca yang benar-benar bersih, dan menyebarkan banyak kristal es mikroskopis ke atasnya. Dengan mikroskop, ia mengisolasi kristal tertentu, lalu meniupkan udara lembab yang sedikit lebih hangat ke gelas. Uap air mengembun pada kristal biji, seperti di awan nyata, akhirnya membentuk kepingan salju yang terlihat.
Bekerja dengan proses ini, Libbrecht telah menentukan tingkat suhu dan kelembaban yang mengarah pada setiap jenis kepingan salju tertentu. "Saya menyebutnya 'butiran salju perancang, ' karena Anda dapat mengubah kondisinya saat Anda menumbuhkannya dan memperkirakan seperti apa bentuknya, " katanya. Di antara hal-hal lain, ia menemukan bahwa kepingan salju dengan tepi tipis tumbuh lebih cepat, menyebabkan tepiannya semakin tajam, akhirnya mengarah ke serpihan yang relatif besar. Namun, kepingan salju yang dimulai dengan tepi yang tumpul akan tumbuh lebih lambat dan tetap tumpul, yang mengarah ke prisma kuning, bukannya piring yang elegan.
Akhirnya, ketika Libbrecht ingin menerbitkan buku tentang karyanya, ia menemukan bahwa, walaupun bagus untuk waktu mereka, sebagian besar foto-foto kepingan salju yang tersedia sudah ketinggalan zaman, seperti yang diambil oleh Wilson Bentley pada 1930-an. Sebagai tanggapan, ia mulai memotret mereka sendiri dalam resolusi tinggi, menggunakan peralatan khusus dan kadang-kadang lampu berwarna untuk memberikan serpihan warna yang jelas meningkat dan kedalaman.
Bagaimana dengan gagasan umum bahwa tidak ada dua kepingan salju yang sama? "Semua orang selalu menanyakan itu padaku, " kata Libbrecht.
Jawabannya, ternyata, adalah masalah matematika. Jika Anda mendefinisikan kepingan salju sebagai hanya sepuluh molekul air, maka dua serpihan yang berbeda mungkin identik pada tingkat molekuler. Tetapi untuk ukuran serpihan penuh, katanya, sangat tidak mungkin bahwa Anda akan mendenda dua yang identik yang terjadi secara alami - cara yang sama bahwa peluang dua sidik jari manusia yang identik sangat kecil. "Begitu Anda mulai membuat segala sesuatunya menjadi sedikit rumit, jumlah kemungkinan tumbuh secara astronomis, dan kemungkinan bahkan memiliki dua kepingan salju yang terlihat sama, turun menjadi nol, " katanya.
