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Kunstwerke der Natur: Warum sind Schneeflocken so perfekt symmetrisch?

Leise trudeln die Schneeflocken vom Himmel – im Winter ganz normal. Doch das Wunder verbirgt sich im Detail: Bei näherem Hinsehen sind die Flocken wahre Kunstwerke der Natur. Die luftigen Klumpen bestehen aus winzigen, völlig symmetrischen Sternchen – jedes von ihnen etwas anders, keines gleicht dem anderen. Warum aber sind die Schneekristalle so symmetrisch? Und gleicht wirklich keines dem anderen?
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Echte Kunstwerke und unglaublich vielfältig: Schneekristalle

Wilson Bentley / Public Domain

Das Rätsel der Sechser-Symmetrie

Die Schönheit und Symmetrie der Schneekristalle zog schon den Astronomen Johannes Kepler in seinen Bann. Er schrieb im 17. Jahrhundert: "Es waren einzige Plättchen aus Eis, sehr flach, sehr poliert und sehr transparent, ungefähr von der Dicke eines Blattes Papier...aber perfekt in Sechsecken geformt. Ihre sechs Seiten waren so gerade und die sechs Winkel so gleich, dass es unmöglich für einen Menschen wäre, etwas so Genaues herzustellen."

Das Muster, das alle Schneekristalle gemeinsam haben, ist ihre sechszählige Symmetrie. Jeder Kristall – egal ob er eher schmucklos wie eine sechseckiges Plättchen daher kommt oder als ein kunstvoll verästelter Stern – hat immer sechs Arme oder Seiten. Aber warum? Wie kommt diese scheinbar so unveränderliche Symmetrie zustande?

Schneeflockenaufnahme von W. A. Bentley

Wilson Bentley / Public Domain

Die Wassermoleküle sind schuld

Die Ursache liegt in den Prozessen, die auf Molekülebene beim Gefrieren des Wassers ablaufen: Die Wassermoleküle sind nicht eben, sondern in sich leicht geknickt. Deshalb lagern sie sich im Eis auch in einem bestimmten Winkel zusammen – einem, der das Kristallgitter in eine sechszählige Symmetrie bringt. Doch es kommt noch etwas dazu: ein winziger Eiskeim hat zuerst noch keine Ästchen, er ähnelt eher einem sechseckigen Prisma.

Doch das ändert sich beim weiteren Wachsen: Wegen der Symmetrie des Kristallgitters können sich an einigen Stellen des Babykristalls leichter weitere Wassermoleküle anlagern. An diesen Stellen wächst der Kristall daher schneller als an anderen – es bilden sich allmählich Vorsprünge. Weil sie höher über die restliche Oberfläche des Kristalls hinausragen, lagern sich nun erst recht mehr Wassermoleküle an – die Vorsprünge werden zu Ästchen und Eisnadeln.

Schneeflockenaufnahme von W. A. Bentley

Wilson Bentley / Public Domain

Ist jeder Schneekristall wirklich einzigartig?

Aber wie ist das mit der scheinbar unendlichen Vielfalt der Schneesternchen: Sind wirklich keine zwei Eiskristalle gleich? Diese Vermutung kam dem Farmer und Hobbyfotografen Wilson Bentley schon vor gut 90 Jahren, als er Schneekristalle unter dem Mikroskop beobachtete und fotografierte. Er schrieb im Jahr 1922: "Jede Schneeflocke hat eine unendliche Schönheit, die durch das Wissen vergrößert wird, dass der Betrachter aller Wahrscheinlichkeit niemals eine andere finden wird, die genauso aussieht." Immerhin mehr als 5.000 Aufnahmen machte Bentley im Laufe seines Lebens.

Schneeflockenaufnahme von W. A. Bentley

Wilson Bentley / Public Domain

Lange Zeit glaubte man angesichts dieser Bilderfülle, dass wirklich jeder Schneekristall einzigartig ist. Umso größer war das Staunen, als 1988 die Wissenschaftlerin Nancy Knight vom National Center for Atmospheric Research in Colorado zwei völlig identische Schneekristalle fand. Rein äußerlich betrachtet scheint damit die Volksweisheit der einzigartigen Schneeflocken widerlegt.

Allerdings: Auf der Ebene der Atome und des Kristallgitters gibt es selbst bei scheinbar gleichen Eiskristallen noch Unterschiede. Denn in jedem Gitter entstehen winzige Fehler – und die Wahrscheinlichkeit, dass diese in zwei Eiskristallen aus immerhin jeweils mehr als 100 Millionen Wassermolekülen gleich sind, ist extrem gering.

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