Se puede provocar la formación de cristales de hielo en agua superenfriada
El hielo es mucho más complicado de lo que la mayoría de nosotros imaginamos: la ciencia conoce más de 20 variedades diferentes que se forman bajo diversas combinaciones de presión y temperatura. El tipo que usamos para enfriar nuestras bebidas se conoce como hielo I, y es una de las pocas formas de hielo que existen naturalmente en la Tierra.
Investigadores de Japón han descubierto recientemente otro tipo de hielo: el hielo 0, una forma inusual de hielo que puede provocar la formación de cristales de hielo en agua superenfriada.
La formación de hielo cerca de la superficie del agua líquida puede comenzar a partir de pequeños precursores de cristales con una estructura similar a un tipo raro de hielo, conocido como hielo 0.
En un nuevo estudio, investigadores del Departamento de Investigación de Cooperación Social "Ciencia de Protección contra las Heladas", del Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio, demostraron que estas estructuras similares al hielo 0 pueden hacer que una gota de agua se congele cerca de su superficie en lugar de en su núcleo. Este descubrimiento resuelve un antiguo enigma y podría ayudar a redefinir nuestra comprensión de cómo se forma el hielo.
La cristalización del hielo, conocida como nucleación del hielo, suele ocurrir de forma heterogénea, es decir, en una superficie sólida. Normalmente, se espera que esto ocurra en la superficie del recipiente que contiene el agua, donde el líquido se encuentra con el sólido.
Sin embargo, esta nueva investigación muestra que la cristalización del hielo también puede ocurrir justo debajo de la superficie del agua, donde se encuentra con el aire. Allí, el hielo se nuclea alrededor de pequeños precursores con la misma estructura característica en forma de anillo que el hielo 0.
Imagen derecha: Núcleo de Hielo 0. Los átomos de oxígeno están coloreados en azul, los átomos de hidrógeno en amarillo. Crédito: John Russo, Flavio Romano, Hajime Tanaka
"Las simulaciones han demostrado que es más probable que una gota de agua cristalice cerca de la superficie libre en condiciones isotérmicas", afirma el autor principal del estudio, Gang Sun. "Esto resuelve un largo debate sobre si la cristalización ocurre más fácilmente en la superficie o internamente".
Los precursores del hielo 0 tienen una estructura muy similar a la del agua superenfriada, lo que permite que las moléculas de agua cristalicen más fácilmente a partir de ella, sin necesidad de formarse directamente en la estructura del hielo normal.
Los diminutos precursores del hielo 0 se forman espontáneamente, como resultado de los efectos de presión negativa causados por la tensión superficial del agua. Una vez que comienza la cristalización a partir de estos precursores, estructuras similares al hielo 0 se reorganizan rápidamente en el más familiar hielo I.
El autor principal, Hajime Tanaka, destaca las amplias implicaciones de este estudio y señala que: "Se espera que los hallazgos sobre el mecanismo de cristalización superficial del agua contribuyan significativamente a varios campos, incluidos los estudios climáticos y las ciencias de la alimentación, donde la cristalización del agua juega un papel fundamental".
Una comprensión más detallada del hielo y cómo se forma puede brindar información invaluable en una variedad de áreas de estudio.
Este trabajo puede tener particular importancia en meteorología, por ejemplo, donde la formación de hielo a través de precursores similares al hielo 0 puede tener un efecto mucho más notable en pequeñas gotas de agua como las que se encuentran en las nubes. Comprender el hielo también puede tener beneficios en la tecnología, desde las ciencias de la alimentación hasta el aire acondicionado.
El estudio se ha publicado en Nature Communications: Surface-induced water crystallization driven by precursors formed in negative pressure regions
