Los hallazgos dan un vuelco a los conocimientos previos sobre la formación del hielo

© Lunghammer - TU Graz
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Investigadores de la Universidad Técnica de Graz (Austria) y de las Universidades de Cambridge y Surrey han conseguido rastrear el primer paso en la formación de hielo en una superficie, revelando que el agua necesita energía adicional antes de empezar a formarlo.

El agua se congela y se convierte en hielo cuando entra en contacto con una superficie fría, un hecho bien conocido. Sin embargo, el proceso exacto y sus detalles microscópicos seguían siendo esquivos hasta ahora. Anton Tamtögl, del Instituto de Física Experimental de la Universidad Técnica de Graz, explica: “El primer paso en la formación del hielo se denomina “nucleación” y ocurre en un tiempo increíblemente corto, una fracción de milmillonésima de segundo, cuando las moléculas de agua individuales y altamente móviles “se encuentran” y se fusionan”. Los microscopios convencionales son demasiado lentos para seguir el movimiento de las moléculas de agua, por lo que es imposible utilizarlos para “observar” cómo se combinan las moléculas sobre superficies sólidas.

Los hallazgos dan un giro a la comprensión anterior de la formación del hielo

Con la ayuda de una nueva técnica experimental y de simulaciones computacionales, Tamtögl y un grupo de investigadores de las Universidades de Cambridge y Surrey han podido rastrear el primer paso de la formación de hielo en una superficie de grafeno. En un artículo publicado en Nature Communications, hicieron la notable observación de que las moléculas de agua se repelen entre sí y necesitan ganar suficiente energía para superar esa repulsión antes de que el hielo pueda empezar a formarse: El autor principal, Anton Tamtögl, afirma que “la repulsión entre las moléculas de agua no se ha tenido en cuenta durante la nucleación del hielo; este trabajo cambiará todo esto”.

Seguir el “baile” de las moléculas de agua

El efecto se descubrió con un método llamado Helium Spin-Echo (HeSE), una técnica desarrollada en el Laboratorio Cavendish de Cambridge y especialmente diseñada para seguir el movimiento de átomos y moléculas. La máquina dispersa el helio de las moléculas en movimiento sobre una superficie, de forma similar a como se dispersan las ondas de radio de los vehículos en un radar. Al registrar el número de helio dispersado y su energía/velocidad tras la dispersión, permite seguir el movimiento de átomos y moléculas.

Los experimentos de HeSE muestran que las moléculas de agua sobre una superficie de grafeno, es decir, una sola capa atómica de carbono, se repelen entre sí. La repulsión se debe a la misma alineación de las moléculas, perpendicular a la superficie. El escenario es análogo al de juntar dos imanes con polos similares: Se separarán. Para que comience la nucleación del hielo, una de las dos moléculas debe reorientarse, sólo entonces podrán acercarse. Esta reorientación requiere energía adicional y, por tanto, representa una barrera que debe superarse para el crecimiento de los cristales de hielo.

Las simulaciones computacionales, en las que se mapeó la energía precisa de las moléculas de agua en diferentes configuraciones y se calcularon las interacciones entre las moléculas cercanas entre sí, confirman los hallazgos experimentales. Además, las simulaciones permiten “encender” y “apagar” la repulsión, proporcionando así una prueba más del efecto. La combinación de métodos experimentales y teóricos permitió al equipo científico internacional desentrañar el comportamiento de las moléculas de agua. Por primera vez, capta exactamente cómo evoluciona el primer paso de la formación de hielo en una superficie y les permite proponer un mecanismo físico hasta ahora desconocido.

Relevancia para otros campos y aplicaciones

El grupo sugiere además que el efecto recién observado puede producirse de forma más amplia, en otras superficies. “Nuestros descubrimientos abren el camino a nuevas estrategias para controlar la formación de hielo o prevenirlo”, afirma Tamtögl, pensando, por ejemplo, en tratamientos de superficies específicos para la energía eólica, la aviación o las telecomunicaciones.

La comprensión de los procesos microscópicos que intervienen en la formación del hielo es también esencial para predecir su formación y fusión, desde los cristales individuales hasta los glaciares y las capas de hielo. Esto último es crucial para nuestra capacidad de cuantificar la transformación del medio ambiente en relación con el cambio climático y el calentamiento global.

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