Geschiedenis van de sneeuwbal

Jammer genoeg valt er in ons land maar een aantal keer per jaar genoeg sneeuw en er sneeuwballen mee te gooien. En zelf als dat het geval is, komen we nog wel eens bedrogen uit als de sneeuw veel te poederig is en dus niet aan elkaar wil blijven ‘plakken’. Wetenschappers hebben zich ruim een eeuw lang het hoofd gebroken over de vraag hoe dat komt en ontdekten het geheim. Michael Faraday worstelde halverwege de 19e eeuw al met het sneeuwballenprobleem. Faraday was ervan overtuigd dat de aanwezigheid van een waterlaagje op het oppervlak van een ijskristal essentieel is om een sneeuwbal te maken. Hij beschreef het als volgt:

twee stukken vochtig ijs of twee vochtige ijskristallen worden samen een zodra ze met elkaar in contact komen. Het dunne filmpje water tussen de twee stukken ijs bevriest. Als de temperatuur van ijs ver beneden het vriespunt ligt en het ijs ‘droog’ is, leidt contact tussen twee stukken ijs tot niets.
Fara ontdekte dat je een perfecte sneeuwbal maakt als de sneeuw rond de 0 graden Celsius is. Dat is ook de temperatuur waarbij ijs en water naast elkaar kunnen voorkomen (stolpunt, smeltpunt).
Honderd jaar later, in 1954, vonden Japanse onderzoekers dat hele kleine ijsbolletjes aan elkaar groeien om uiteindelijk een geheel te vormen. Zes jaar later constateerden Amerikaanse onderzoekers hetzelfde, maar zij realiseerden zich de factor tijd in het proces. Fusie vindt ook bij -25 of -30 graden Celsius wel plaats, maar bij die lage temperaturen duurt het proces, relatief gezien wel erg lang. Het is een kwestie van uren in plaats van seconden zoals bij 0 graden Celsius. Om te zien hoe dat komt, moeten we eerst een kijkje nemen in de sneeuwbal.

Oppervlakte verkleining levert energie op.

De watermoleculen binnen in een ijskristal zijn omgeven door buurmoleculen. En ieder molecuul ondervindt gelijke krachten van alle omringende moleculen. Een watermolecuul aan het oppervlak van ijs ondervindt een asymmetrisch krachtenveld omdat het geen bovenburen heeft: het wordt als het ware naar binnen getrokken. Moleculen zitten daarom liever binnen in een kristalrooster dan aan het oppervlak en zij hebben energie nodig om van binnenuit naar het oppervlak te bewegen. Oppervlakteverkleining levert energie op. Dat laatste is natuurlijk gunstiger. Een voorbeeld kun je waarnemen bij waterdruppels. De kleine waterdruppels komen allemaal bij elkaar en vormen samen 1 grote druppel.

Watermoleculen bewegen

Als twee ijskristallen met elkaar in contact komen, ontstaat een soort ‘materiaalstroom’. Watermoleculen bewegen via de dampfase naar de plaatsen waar de twee kristallen bezig zijn aan elkaar te groeien. Het kouder het ijs, hoe langzamer het materiaaltransport verloopt en des te langer het duurt voor de fusie tot stand komt.
Met droge, koude poederige sneeuw kunnen we dus geen goede sneeuwbal maken. Door de kou duurt het fusieproces enkele minuten of zelfs uren. In die tijd zal de bal in onze handen doen smelten. In de keramiek is het sneeuwbaleffect nagebootst middels een procedé dat keramici ‘vloeibare-fase sinteren’ noemen. Hierbij voegen ze aan het keramische poeder een tweede stof toe, die bij de werktemperatuur vloeibaar blijft. Die stof vormt als het ware een oplosmiddel voor het poeder: de vloeibare fase vormt een semivloeibare film van enkele nanometers dik om de poederkorrels. Deze semivloeibare fase vergemakkelijkt het transport van moleculen naar en in het grensvlak. De fusie verloopt daardoor veel sneller
Onderzoekers vermoeden dat een waterfilmpje om de ijskristallen en sneeuwvlokken een soortgelijke rol vervult. Het is een heel dun laagje van enkele moleculen dik en met vloeistofachtige eigenschappen. Als twee ijskristallen met elkaar in contact komen, wordt het laagje aan beide zijden door ijs omgeven. De moleculen in het ‘waterige’ laagje zitten nu ingeklemd, verliezen hun bewegingsvrijheid en vriezen nu onmiddellijk vast en zitten binnen in het kristal in plaats van het oppervlak

Een echt sneeuwballengevecht

De dikte van de waterfilm hangt af van de temperatuur. Bij 5 graden Celsius is de film enkele micrometers dik. Maar bij deze temperatuur blijft de sneeuw niet liggen en is een sneeuwballengevecht natuurlijk onmogelijk. De dikte neemt snel af als de temperatuur daalt. Bij 0 graden Celsius zijn de omstandigheden om een sneeuwbal te maken ideaal. Bij -10 graden Celsius is de waterfilm om de sneeuwvlokken bevroren. De sneeuw is hierdoor droog en poederig..