Sternentstehung unter dem Mikroskop

[witweb]

Hallo zusammen,

nachdem ich in ,,Eisige Zeiten" etwas zum Aufbau meines Kühltisches geschrieben hatte, möchte ich jetzt für alle, die es interessiert, ein paar erste Erfahrungen mitteilen.



Nun, es lag nahe, mit Wassereis zu beginnen. Natürlich ist es ein Klacks, einen Tropfen am Objektträger festfrieren zu lassen. Aber ich hatte ja Bilder von Designer-Schneekristallen in Erinnerung. Wer wissen will, was ich meine, empfehle ich die Seiten von Prof. Kenneth G. Libbrecht. Besonders das Video ,,Why are snowflakes like this?" (18:48 min) sei jedem Interessierten empfohlen.
Mal vom Knowhow des Prof. Libbrecht abgesehen, das eingesetzte Equipment lässt auch nicht gerade hoffen, mit einem Orthoplan und 100 EUR-Budget irgendetwas Vorzeigbares aus der Kälte zu zaubern. Müssen ja nicht unbedingt Schneeflocken sein, ein paar interessante Kristalle wären auch schon schön.

Es zeigte sich schnell, dass ein blanker OT auf dem Kühltisch im Nu mit einem dichten Rasen aus kleinen Kristallen besetzt war. Nichts zum Fotografieren. Ich habe dann versucht, das Ganze ein wenig zu steuern, indem ich der Luftfeuchtigkeit alles Mögliche zur Eisbildung angeboten habe, von Münzen über Unterlegscheiben bis zur Stahlwolle. Naja, wurde schon besser. Das sah dann so aus:



Bei weiteren Versuchen zeigte sich, dass ich irgendwie die Luftfeuchtigkeit verringern musste. Im Raum hatte ich eine relative Luftfeuchte von etwa 45 % gemessen. Das war zu viel.
Ich habe dann den OT gegen ein Dia-Glas ausgetauscht und eine Kunststoffhülse über das Objektiv geschoben. Das hat die Luftzufuhr von außen stark eingeschränkt, sodass das Kristallwachstum schon nach einigen Minuten weitgehend zum Erliegen kam. Ich hoffe, dass die Objektive das klaglos mitmachen.



Über die Spannungsversorgung des Peltierelements und die Zeit hatte ich jetzt Möglichkeiten, Einfluss auf die Kristallbildung zu nehmen. Nun musste noch etwas gefunden werden, um die Kristallbildung selbst zu steuern. Im Grunde geht es darum, ,,Keime" für weiteres Wachstum zu legen.
Ich habe für mich dann eine einfache, aber gut funktionierende Methode gefunden. Ein paar Striche oder Punkte mit dem Edding o.ä. auf dem Dia-Glas reichen aus. Die Kristalle wachsen jetzt fast ausschließlich an den Rändern der Striche oder im Bereich der Punkte. Begrenzt man das Wachstum durch Reduzierung der Luftfeuchtigkeit, hat man eine Reihe kleiner Kristalle, die man dann bei wohldosierter Zufuhr von feuchter Luft prächtig wachsen lassen kann.






Soweit der Überblick. Aber es sei gesagt, man sollte für dieses Thema schon einige Geduld mitbringen. Insgesamt ist das alles schon recht tricky.
Aber wenn man Glück hat, wachsen dabei sogar Schneekristalle:





Okay, das geht noch besser. Schaun wir mal ...

Beste Grüße

Michael

[witweb]

Noch ein paar Bilder aus Versuchen:






Grüße

Michael

[olaf.med]

Lieber Michael, ich bin völlig begeistert! Du machst Deinen eigenen Schnee.

Herzliche Grüße,

Olaf

[Nochnmikroskop]

Hallo Michael,

danke für Dein geduldiges Ausprobieren und dass Du uns teilhaben lässt.

Die Idee mit dem Kunststoff-Tubus finde ich gut. Dort sollte sich dann ebenfalls größere Kälte einstellen, da ja die umgebene Luft weniger stark fließen kann und entsprechend auch weniger Wärme zugeführt wird, wie bei der Feuchtigkeit. Andererseits wird die Schicht der Kaltluft höher, kommt näher an die Linse.

Die Spannungen im Objektiv würde ich daher im Auge behalten, Kälte ist da sicher nicht ideal. Vor allem bei größeren Vergrößerungen und entspr. geringen Arbeitsabständen ....

Die Schneeflocken sehen vielversprechend aus. Wie schnell wächst denn so ein Kristall / Schneeflocke? 


LG Frank

[witweb]

Hallo,

lieber Olaf, danke, aber ein Schneekristall macht noch keine Flocke und bis zum Schneemann brauche ich noch etwas. 
Es ist viel Zufall im Spiel.

Frank, das mit den geringen Arbeitsabständen ist tatsächlich ein Problem. Nicht nur für die Objektive, auch was die Schneekristalle betrifft. Ich habe z.B. vom 10er auf das 20er gewechselt, ein paar Sekunden nach dem Fokussieren war die ganze Winterlandschaft weggetaut.
Ich habe nun das 20er im oberen Teil der Hülse über 20 Minuten abkühlen lassen. Das geht dann schon, aber Stacken dauert trotzdem zu lange. Ich werde mal versuchen, zügig Videos aufzunehmen und dann die Einzelbilder stacken. Geht dann natürlich nur mit JPG.

Zu deiner Frage, wie schnell so ein Schneekristall wächst, die Zeit zwischen dem ersten und dritten Bild beträgt 4:08 min.



Herzliche Grüße

Michael

[Nochnmikroskop]

Hallo Michael,

danke für die Rückmeldung. 
Über 4 Minuten, eigentlich hätte ich gedacht das das schneller geht, bei der Kälte.

Bei den natürlichen Kristallen sind immer alle sehr symmetrisch, wachsen in alle Richtungen gleichmäßig. Da muss wohl auch die Luftzufuhr "symmetrisch" = frei von allen Seiten zugänglich sein sein.

Ich denke dass man besser mit Objektiven mit großem Arbeitsabstand arbeiten sollte, wenn möglich. Kommt dann auf die ToDo Liste bei mir, entweder mit Stemi, oder mit Mitutoyo´s.

Ich bin ja bisher mit meiner Idee es mit -20°C Kühlpacks zu versuchen gescheitert. Obwohl das Unterlegen eines Furnieres hat zumindest das untere Umfeld trocken gehalten, dafür war es dann verzogen. Aber die Kälte reichte bisher nicht aus, trotz Vorkühlen im Gefrierschrank.

Die Kristalle bilden sich um Keime, hattest Du ja schon festgestellt. Gibt es da ggf. Materialien die gut geeignet sind? Hoch in der Luft bildet glaube ich Staub den Keim um den sich der Kristall bildet. Da gibt es bestimmt beim Profi Libbrecht Infos zu.

Es bleibt ein schönes Projekt, mal sehen wie weit man ohne Großinvestition kommen kann.

LG Frank

[witweb]

Hallo Frank,
so kalt ist das bei den Schneekristallen gar nicht. Ich hatte zwar mal – 26 °C angegeben, aber das ist das maximale, was ich im Moment mit diesem Aufbau erreichen kann. Dabei läuft das Peltierelemt mit 12V und 4,8 A. Das nutze ich aber nur am Anfang für ca. 15 min, um erst mal alles abzukühlen. Dann drehe ich die Spannung runter auf 8-10 V. Da geht dann die Kristallbildung langsamer, aber ,,kontrolliert", soweit man das überhaupt sagen kann. 8V ist auch die Spannung, bei der sich dann, nach einiger Zeit nicht mehr viel verändert, also gut zum Fotografieren.
Was die Arbeitsabstände anbetrifft, habe ich beim 5er 14 mm und beim 10er 7mm. Die 1,1 mm beim 20er sind schon arg wenig für diese Zwecke.

Zu Keimen hat Prof. Libbrecht auch was gesagt. Ich glaube, er erzeugt die mit einer Schippe Trockeneis, das er in die Tiefkühltruhe kippt. Dann wirbeln die Keime nur so rum. Na ja, oder so ähnlich.

Viele Grüße

Michael

[Nochnmikroskop]

Hallo Michael,

in dem Video und auch in den Unterlagen vom Prof. werden die Kristalle scheinbar durch Strom an einer Lanze zum Wachstum angeregt. Da kann er dann natürlich gut drauf fokussieren, weil er genau die Stelle der Entstehung kennt.

Der Arbeitsabstand des 10x ist recht groß, das sollte reichen um das Objektiv nicht in Gefahr zu bringen. Das 20x wäre mir da zu nahe am Geschehen.

Ich meine mit dem Stemi sollte da noch was gehen. Die Kristalle sind ja nicht so klein, das man die nicht auch damit ablichten könnte. Da ist mehr Platz für die Vorrichtungen. Oder eben Mitutoyos, oder beides.

Mal schauen, ob ich mir auch eine Wasserkühlung zulege, dann kann ich besser experimentieren. Du hast da ja schon schöne Vorarbeit geleistet.

LG Frank

[witweb]

Hallo Frank,


Prof. Libbrecht hat ja in ,,An Experimental Apparatus for Observing Deterministic Structure Formation in Plate-on-Pedestal Ice Crystal Growth" sehr gut seine Ausrüstung beschrieben und sehr detailliert erläutert, was er mit den einzelnen Gerätschaften/Komponenten macht.
Das zeigt natürlich auch die Grenzen von solchen Low Cost Ansätzen auf, mit denen wir uns hier beschäftigen. Trotzdem ist es für mich immer wieder eine besondere Herausforderung, auch mit einfachen Lösungen interessante Ergebnisse zu erzielen.

Was sich aber zeigt, ist, dass man für ,,ordentliche" Schneekristalle entsprechende Keime (sechseckige Platten) braucht, ohne eine Impfkristall-Wachstumskammer zur Verfügung zu haben. Da habe ich noch keine Idee, wie man das machen könnte. Es genügt auch nicht, die sechseckigen Platten zu erzeugen, man muss diese ja auch noch unversehrt unter das Objektiv bekommen.

Ich habe aber festgestellt, dass sich auch ohne den großen Aufwand interessante Eiskristalle bilden, wenn man mit Temperatur und Luftfeuchtigkeit spielt. Schöne Schneekristalle, wie ich sie schon gezeigt habe, bilden sich dabei aber nur selten. Was ich häufig sehe, sind ,,halbe" Schneekristalle, Schneekristalle für Arme sozusagen.

Beste Grüße

Michael

Übrigens, falls jemand keine Lust hat, das 16-seitige PDF in Englisch zu lesen, der Google Übersetzer macht in weniger als 20 Sekunden ein fast perfektes Dokument in Deutsch daraus, incl. der Zeichnungen.

Ein paar Schnappschüsse:

[Nochnmikroskop]

Hallo Michael,

im Video vom Prof. zeigt er auch, dass sich 2 parallel bildende Kristalle sich gegenseitig die "Nahrung" wegnehmen und verstümmeln.  
Ich könnte mir vorstellen, das das bei den Kristallen "für Arme", welche ich übrigens schon für sehr ansehnlich halte, auch zutrifft. Also der Feuchtezufluss müsste "irgendwie" geregelter sein. Hatten wir ja schon mal angesprochen und Deine Versuche waren ja auch schon besser geworden dank des Tubus.

Deine Ansätze mit einfachen Mitteln auch ansehnliche Ergebnisse zu erreichen finde ich auch erstrebenswert. 

Vielleicht machen ja noch andere mit und Frank Fox holt seine Vorrichtung nochmals raus.

LG Frank

[Heiko]

Hallo Michael,

dumme Frage des interessierten, aber zeitlich limitierten Mitlesers: Peltier-Elemente gibt es doch auch in ringförmiger Bauweise, siehe beispielsweise hier: https://lairdthermal.com/de/products/thermoelectric-cooler-modules
Ich denke da also an Durchlicht, Deckglas und Kristallisation aus der flüssigen Phase.
Eine/keine Option?

Viele Grüße,
Heiko

[witweb]

Hallo zusammen,

@Frank - Luftfeuchtigkeit und Temperatur in diesem kleinen Raum kontrollieren zu wollen, halte ich für kaum machbar. Selbst die Temperatur, die ich auf der Oberfläche des OT gemessen habe, ist ein paar Zehntel Millimeter darüber schon wieder ganz anders. Und dann die Luftfeuchtigkeit ...
Aber dass die Kristalle sich aus der Umgebung an der Feuchtigkeit bedienen, stimmt. Daher auch der Titel meines Beitrags: Sternentstehung. 
Die Vorgänge erinnern an das Entstehen junger Sterne, die alles aufsaugen, was sich um sie herum in der Akkretionsscheibe befindet.




Durch meine Kunststoffröhre über dem Objektiv schaffe ich es, dass das Kristallwachstum nach einiger Zeit zum Erliegen kommt, also die verfügbare Luftfeuchtigkeit wohl aufgebraucht ist. Das sieht man auch daran, dass auf dem OT keine Kondenswassertröpfchen mehr zu sehen sind. Das funktioniert, obwohl am oberen Rand der Röhre immer noch ein ca. 1 mm breiter Luftspalt ist.
Kippe ich die Kunststoffröhre unten kurz an, beginnt das Kristallwachstum erneut. Kann man wiederholen, bis die Kristalle groß genug sind.
Ich habe auch schon mal über den Einsatz von Molekularsieben nachgedacht, aber das macht die Sache ja noch komplizierter.


@Heiko – ja, ich hatte mir die Peltierelemente mit einem Loch in der Mitte angeschaut, aber nicht das Richtige gefunden. Zum einen von der Größe her, dann sind die meisten ,,Non-Sealed", was auch ungünstig ist. Auch der Preis liegt deutlich über dem der üblichen quadratischen Peltiers.
Da ich bei meinem Kühltisch von vornherein Durchlicht vorsehen wollte, habe ich mir dann diese Lösung überlegt. Damit kann ich sowohl Durchlicht als auch Auflicht machen, ich brauche den Kühlkblock nur hin und her schieben:



Hier ein Bild vom gerade gefrierenden Wasser unter einem Deckglas.



Im Moment bin ich noch bei Wassereiskristallen im Auflicht. Das sind aber alles noch Experimente. Mit Durchlicht habe ich nur ein paar Versuche gemacht, um zu sehen, ob das mit der Kupferplatte funktioniert.

Viele Grüße

Michael

[olaf.med]

Lieber Michael,

dieser synthetische Schneekristall ist eine wahre Pracht! Herzlichen Dank für den Genuss,

Olaf

[witweb]

Lieber Olaf,

danke! Mal sehen, was der Eismann noch so bringt.

Viele Grüße

Michael

[witweb]

Es müssen ja nicht immer Schneekristalle sein.
Auf dem Bild ist zum einen der Bereich zu sehen, den ich mit dem Edding/Lumocolor geschwärzt habe. Dort habe ich die beiden folgenden Kristallbilder aufgenommen.





Neben diesem schwarzen Bereich ist alles vereist, unter dem Mikroskop ist das als ein "Wildwuchs" von kleinen Kristallen zu erkennen. Das sieht man gut im 3D-Bild (Bildbreite 0,85 mm, mit Picolay erstellt). Mit dabei, wie es sich für Wasser gehört, viele Sechsecke.



Was sich bei allen Bildern zeigt, so ganz trivial ist das Fotografieren dieser Kristalle nicht...

Viele Grüße

Michael