Da esperimenti condotti in laboratorio si è visto che la forma dei cristalli dipende sostanzialmente dal variare dell'umidità e della temperatura

Articolo tratto da: http://ulisse.sissa.it

I fiocchi di neve sono aggregati di cristalli che si sono formati nelle nuvole direttamente dalla condensazione del vapore.
I cristalli di neve presentano complesse simmetrie a base esagonale dovute alla configurazione atomica delle molecole di acqua che, allo stato solido (ghiaccio), formano una griglia compatta di celle simili a quelle di un alveare.
I più semplici cristalli di neve sono infatti dei prismi di base esagonale che, a seconda del rapporto tra la base e l'altezza, appaiono come colonnine o come fogli piatti.
Da esperimenti condotti in laboratorio si è visto che la forma dei cristalli dipende sostanzialmente dal variare dell'umidità e della temperatura. Con valori di umidità più alti, le strutture a forma di colonna possono trasformarsi in strutture aghiformi, oppure presentare delle cavità. Quelle più piatte possono invece gemmare in esagoni che si dipartono dai sei vertici della figura madre dando luogo a successive ramificazioni (crescita dendritica ). La struttura complessa del cristallo di neve dipende dalle diverse velocità di crescita di questi due moduli fondamentali in un processo di che deve la sua regolarità, oltre che alla simmetria della griglia atomica del ghiaccio, anche al fatto che le condizioni di temperatura e umidità in cui si trova a crescere il cristallo sono mediamente le stesse in tutte le direzioni.
Nell'immagine principale si possono vedere alcuni esempi di queste forme in cristalli raccolti dalla superficie della neve fresca con dei piattini porta-oggetto contenenti una soluzione raffreddata di metil-cellulosa. La neve così raccolta è stata poi immediatamente immersa in azoto liquido (a a -196°C), in modo da solidificare i cristalli e osservarne la struttura a distanza di tempo (e di spazio: i campioni così congelati possono anche essere spediti per posta). I microscopi elettronici utilizzano un fascio di elettroni, anziché di luce visibile. Ciò permette a questi strumenti di raggiungere una risoluzione vari ordini di grandezza superiore a quella che si può ottenere con il normale microscopio ottico, come si vede nella sequenza di immagini associate.
Esistono due tipi principali di microscopi elettronici: il microscopio elettronico a scansione (SEM) e il microscopio elettronico a trasmissione (TEM).
Mentre il TEM permette di osservare il campione 'in trasparenza' e quindi può essere utilizzato solo con fettine ultra-sottili del campione mantenute perpendicolari al fascio di elettroni, con il SEM si osservano anche oggetti spessi, che possono venire orientati e ingranditi durante l'osservazione. La superficie del campione viene infatti "spazzolata" da un fascio di elettroni e l'immagine viene costruita indirettamente a partire dagli elettroni riflessi e diffusi dalla superficie dell'oggetto. Appositi dispositivi consentono sia di orientare il fascio di elettroni che scansiona il campione, sia il campione rispetto al fascio. L'oggetto deve però essere inserito in una camera a vuoto, per evitare il rumore causato dall'interazione degli elettroni (sia quelli primari del fascio di scansione che con quelli secondari e retrodiffusi che vanno a disegnare l'immagine) con gli atomi che compongono i gas presenti nell'aria, nonché con la polvere e altre impurità.
Prima di inserire il campione nella camera a vuoto, questo deve essere anche essicato (con un particolare procedimento che preserva le micromorfologie) e in molti casi anche ricoperto di una patina di metallo, perché la superficie conduca omogeneamente gli elettroni.
Nella camera possono essere posizionati anche diversi campioni di dimensioni relativamente grandi (dell'ordine dei centimetri).
L'unità di microscopia elettronica con cui sono state realizzate le immagini dei cristalli di neve è dotata di un Cryotrans System in grado di metallizzare il campione a bassissima temperatura e di trasferirlo nella camera a vuoto, anch'essa preraffreddata (a -170°C).
Siccome il microscopio elettronico non usa luce ma appunto elettroni, l'immagine appare normalmente in toni di grigio. I colori che a volte appaiono nelle micrografie al SEM vengono in genere aggiunti con tecniche di fotoritocco, per abbellire l'immagine e/o renderla più chiara.
Esiste tuttavia anche una tecnica di analisi e ricostruzione dell'informazione convogliata dagli elettroni riflessi/retrodiffusi dalla superficie del campione che assegna due diversi gradienti di colore a questi due tipi di segnale. Il gradiente di colore degli elettroni riflessi (o secondari) viene digitalmente sovrapposto a quello che corrisponde agli elettroni retrodiffusi, producendo delle immagini in pseudo-colori come quella della figura principale.