Mystérieux cristaux de neige Un cristal de glace (1 mm de diamètre) contient 100 trillions de molécules d’eau

L’astronome et mathématicien allemand Johannes Kepler est connu pour ses descriptions des mouvements planétaires. Mais c’est aussi lui qui a commencé à s’interroger sur la remarquable géométrie des cristaux de neige, lorsqu’un flocon s’est déposé sur son manteau alors qu’il traversait le pont Charles à Prague pendant l’hiver 1610. «Pourquoi les flocons de neige tombent-ils toujours sous la forme de structures plates hexagonales?», s’interrogea-t-il? La question le hantait. «Pourquoi n’ont-elles pas trois, cinq ou sept côtés?» Un an plus tard, il publia un petit livre intitulé «A propos du flocon de neige hexagonal» (De nive sexangula). Cet ouvrage allait poser les bases de toute la cristallographie. Johannes Kepler affirmait que l’emballage hexagonal était «le plus étroit possible, de sorte qu’aucune autre disposition ne permettrait de fourrer plus de billes dans le même récipient». La nature semble apprécier cette disposition, car elle se retrouve entre autres dans les rayons de miel, ainsi que Kepler l’a constaté. Il a toutefois fallu 400 ans pour que le mathématicien américain Thomas Hales parvienne finalement à prouver la «conjecture de Kepler» à l’aide de méthodes de calcul sophistiquées.

Johannes Kepler affirmait que l’emballage hexagonal était «le plus étroit possible, de sorte qu’aucune autre disposition ne permettrait de fourrer plus de billes dans le même récipient». La nature semble apprécier cette disposition, car elle se retrouve entre autres dans les rayons de miel, ainsi que Kepler l’a constaté. Il a toutefois fallu 400 ans pour que le mathématicien américain Thomas Hales parvienne finalement à prouver la «conjecture de Kepler» à l’aide de méthodes de calcul sophistiquées.

Bien que tous les cristaux de neige aient en commun une structure hexagonale, aucun cristal ne ressemble exactement à un autre. D’un point de vue physique, cela n’a rien d’étonnant.

Lorsqu’il fait un froid glacial, de fines gouttelettes d’eau gèlent dans les nuages sur ce que l’on appelle des germes de cristallisation, par exemple des particules de poussière. Le cristal commence alors à grossir, car de plus en plus de molécules d’eau s’y accrochent durant son voyage du nuage vers le sol. Un seul cristal de glace de 1 millimètre de diamètre contient environ 100 trillions de molécules d’eau. La possibilité que deux cristaux aient une structure identique, c’est-à-dire que toutes les molécules se fixent au même endroit, est infime.

La forme finale des cristaux de neige est déterminée par la température et l’humidité pendant le processus de croissance. C’est lorsque l’humidité de l’air est élevée et que le mercure avoisine les moins 15 degrés que se forment les plaquettes hexagonales en forme d’étoiles, ces cristaux de neige particulièrement beaux et emblématiques. S’ils sont effectivement fréquents, il existe aussi quelques spécimens très étranges.

L’ouvrage standard de 500 pages Snow Crystals du physicien Kenneth Libbrecht du California Institute of Technology donne un aperçu du monde étonnant des cristaux de neige. Ses préférés, que personne ne semble connaître, sont les colonnes à capuchon. Celles-ci apparaissent lorsqu’une colonne se forme à environ moins 6 degrés, aux extrémités de laquelle se développent des plaques, à environ moins 15 degrés. Il en résulte un cristal de neige dont la forme ressemble à une bobine de fil.Le livre de Kenneth Libbrecht contient un tableau des 35 types de flocons de neige les plus courants, qui devrait servir de référence à ceux qui veulent se lancer, loupe à la main, à la recherche de flocons de neige exotiques. «Car la probabilité de découvrir un cristal triangulaire, une rosace sphérique ou une colonne à capuchon est plus grande lorsqu’on sait qu’ils existent», écrit le physicien américain.

Le livre de Kenneth Libbrecht contient un tableau des 35 types de flocons de neige les plus courants, qui devrait servir de référence à ceux qui veulent se lancer, loupe à la main, à la recherche de flocons de neige exotiques. «Car la probabilité de découvrir un cristal triangulaire, une rosace sphérique ou une colonne à capuchon est plus grande lorsqu’on sait qu’ils existent», écrit le physicien américain.