Umjetno narasli kristali i općenito eksperimenti rasta u kontroliranim uvjetima su nužni da se ustanovi samosuglasna fenomenološka slika procesa rasta. Ona se onda može rabiti kao vodič za teorijsko modeliranje.

Glavni parametri koji se mogu pouzdano kontrolirati tijekom rasta su temperatura i vlažnost, odnosno supersaturacija, a precizno se mjeri brzina rasta kristala kao cjeline i/ili pojedinih dijelova njegove površine. Prvi je korak proizvesti stabilnu i održivu vlagom prezasićenu okolinu, ili vlagu veću od 100%. Jedan od popularnih načina je rasti kristal na podlozi – substratu temperature T_1,  a vodenu paru proizvoditi u bliskom spremniku leda s grijačem kojemu je temperatura T₂ viša od T₁. Ova metoda koristi se u uvjetima vrlo niskog tlaka zraka. Supersaturaciju je lako podesiti mijenjajući T₂. Moguće je također rasti kristale u izotermnim uvjetima ako se umjesto spremnika s ledom uzme vodena otopina kuhinjske soli. Promjenom koncentracije soli mijenja se i parcijalni tlak vodene pare, a time i supersaturacija. Druga popularna metoda za kontrolu supersaturacije u izotermnim uvjetima je proizvodnja magle koja se sastoji od kapljica pothlađene vode, kao što se to događa u oblacima. Varirati supersaturaciju moguće je ako kapljice pothlađene vode sadrže otopljenu sol. Umjetni oblaci u komorama sačinjeni su od magle vodenih kapljica, a naročito su pogodni za uvjete kad je tlak zraka blizak atmosferskom.

Prof. Librecht je dobar dio svojih eksperimenata ostvario u vertikalnoj difuzijskoj komori u kojoj je supersaturciju moguće povećati do σ = 1 (odnosno relativnu vlagu do 200%), pa čak i više. U komori postoji vertikalni temperaturni gradijent koji pruža mogućnost rasta kristala na različitim temperaturama. Komora nužno uključuje zrak ili neki drugi plin kod skoro atmosferskog tlaka. Ona je veličine metra; ni priližno dimenzije oblaka. Ipak, dovoljno je velika da kristali lebdeći oko 2 minute narastu na veličinu 10 – 100 μm nakon koje vrlo sporo padaju prema dnu gdje ih je moguće fotografirati. Komora je efikasno hlađena i dobro termički izolirana. Na dnu

Slika 09: Konvekcijska komora za rast

Slika 10: Laboratorij s konvekcijskom kristala u slobodnom padu komorom

komore nalaze se spremnici s grijačima za proizvodnju vodene pare. Konvekcijom vodena para miješa se s hladnim zrakom stvarajući vlagom prezasićeni (supersaturirani) zrak potreban za rast kristalića. U tom trenutku nužno je stvoriti inicijalne nanometarske kristaliće, odnosno pomoći da se preskoči barijera za rast, odnosno nukleacijom započeti rast. Naime, kemijski i mehanički čiste kapljice vode spontano se ne smrzavaju sve dok temperatura ne padne ispod -35^oC, temperatura koji osim toga ovisi i o veličini kapljica [2]. Nukleacija se može ostvariti na brojne načine, ali samo ako je supersaturacija veća od neke kritične vrijednosti. Najčešći načini su: ubacivanje raspršenog praha suhog leda (zaleđeni CO₂ – ohladi okolni zrak na -60^oC), ubacivanje dimnih čestica srebro jodida ili brza ekspanzija male količine hladnog komprimiranog zraka. Nukleirani kristalići nastavljaju rasti i vrlo brzo narastu u uvjetima prije stvorene supersaturacije. Čak i mali (manji od 100 μm) dovoljno su veliki za mjerenja, a i ostvareni oblici pokazuju raznolikost jednaku onoj kod prirodnih kristalića.

Osim konvekcijske komore za koju je karakterističan rast pri slobodnom padu razvijene su i rabe se i druge metode rasta. Metoda koja daje kristale oblikom najbliže prirodnima je rast u uvjetima verikalne struje stupca zraka koja sprječava pad kristala. Kristal se stabilno održava na određenoj visini gdje raste oko 30 minuta. Metoda koju je koristio Nakaya je rast na niti koja se nalazi u konvekcijskoj komori. Uvjete rasta moguće je dobro kontrolirati kao i izrasti kristale velikih dimenzija. Nakaya je kao nit koristio razne prirodne materijale (kosu, paukovu mrežu, vunu, perje) a najviše uspjeha imao je sa zečjom dlakom. Jedino na njoj uspijevao je rasti izolirane kristale jer su se, čini se, 'htjeli' nukleirati samo na jednom mjestu uzduž (vjerojatno nesavršene) dlake. Osim spomenutih metoda rasta, tu su još i komora s difuzijom vodene pare (koncepcijski suprotna konvekcijskoj komori), zatim rast na pomno odabranim podlogama, rast eleketrodinamički levitiranih kristala, rast na kristalnim ledenim iglicama i još poneki još neobičnijih značajki.

Sadržaj
Uvodna riječ
Oblici pahuljica
Snježna pahuljica – što je to?
Fazni dijagram vode
Povijesni pregled
Kristalna struktura
Zašto se istražuju pahuljice
Rast u laboratoriju
Dijagram oblika pahuljica
Rast pod mikroskopom
Kontrola rasta građom površine
Površinsko taljenje leda
Kontrola rasta difuzijom
Dendritski rast
Literatura

<< >>