Los límites del tamaño del hielo

Según una nueva investigación publicada en Proceedings of the National Academy of Sciences, la nanogota de agua más pequeña en la que se puede formar hielo es tan grande como 90 moléculas de agua, una décima parte del tamaño del virus más pequeño.

A esas escalas pequeñas, según la profesora de química de la Universidad de Utah y coautora del estudio, Valeria Molinero, la transición entre el hielo y el agua se vuelve un poco encrespada.

"Cuando tienes un vaso de agua con hielo, no ves que el agua en el vaso convierte todo el hielo y todo el líquido en función del tiempo", dice ella. En las nanogotas de agua más pequeñas, dice, eso es exactamente lo que sucede.

La transición entre el agua y el hielo se encuentra entre las transformaciones más importantes entre las fases (sólidos, líquidos y gases) en nuestro planeta, donde tiene efectos únicos en nuestro tiempo que regula la viabilidad de la vida. Comprender las condiciones que conducen a la formación de hielo, entonces, es una búsqueda activa en áreas que abarcan las ciencias ambientales y de la tierra, física, química, biología e ingeniería.

El hielo existe en la Tierra casi exclusivamente en la estructura de cristal hexagonal altamente ordenada conocida como "hielo I". En nuestra atmósfera, se forman pequeños grupos de agua que luego se congelan, sembrando cristales más grandes y eventualmente nubes. Sin embargo, debido a los efectos termodinámicos competitivos, por debajo de cierto diámetro, estos grupos de agua no pueden formar hielo I termodinámicamente estable.

El rango exacto de tamaño de los grupos de agua capaces de formar hielo I estable ha sido investigado a través de experimentos y teoría durante años, y las estimaciones más recientes redujeron el oscilan entre 90 moléculas de agua y hasta 400.

Sobreenfriamiento: bajo y lento

En el pasado, una barrera importante en el estudio experimental de este límite ha sido el enfriamiento de los grupos de líquidos sobreenfriados lo suficientemente lento como para permitir que el hielo que se retícula se forme correctamente. El enfriamiento demasiado rápido crea grupos de hielo amorfo, una fase menos ordenada. Si los grupos no se enfrían lenta y uniformemente, el resultado es una combinación no natural de fases de hielo. Las simulaciones por ordenador de la formación de hielo también enfrentan sus propios desafíos para replicar la física a nanoescala y la formación de hielo.

En el nuevo estudio, los investigadores de la Universidad de Utah, la Universidad de California, San Diego, la Universitat Gottingen, los Institutos Max Planck para la Investigación y Dinámica del Sistema Solar y la Autoorganización en Gottingen combinan los recientes avances en simulación y experimentación para desenredar el interacción entre las restricciones que actúan sobre la transición hielo-líquido en grupos de tamaño nanométrico.

Para superar el problema de enfriamiento, el equipo de Gottingen utilizó un haz molecular que genera grupos de un tamaño deseado al expandir inicialmente una mezcla de agua y argón a través de una boquilla de aproximadamente 60 micrómetros de diámetro. El haz resultante se canaliza a través de tres zonas distintas donde se reduce la velocidad de enfriamiento para controlar la formación de los grupos, alcanzando una temperatura baja de 150 K (-123 C o -189 F). Se utilizaron modelos informáticos de agua desarrollados por los equipos de San Diego y Utah para simular las propiedades de las nanogotas.

El final del hielo

Utilizando señales espectroscópicas infrarrojas para monitorear la transición al hielo I en los grupos, los investigadores encontraron un acuerdo prometedor entre los enfoques experimentales y teóricos.

Los resultados proporcionan una fuerte evidencia de que el "final del hielo" ocurre cuando los grupos están alrededor de 90 moléculas de agua. En este tamaño, los grupos tienen solo alrededor de 2 nanómetros de diámetro, o aproximadamente un millón de veces más pequeños que un copo de nieve típico.

Francesco Paesani, de la Universidad de California en San Diego, explica: "Este trabajo conecta de manera consistente conceptos experimentales y teóricos para estudiar las propiedades microscópicas del agua de las últimas tres décadas, que ahora se pueden ver en una perspectiva común".

Oscilación inesperada

Inesperadamente, los investigadores encontraron, tanto en la simulación como en el experimento, que la coexistencia de hielo se comporta de manera diferente en grupos de 90 a 150 moléculas de agua de la transición de fusión bien definida que experimentamos con hielo y agua macroscópicos (a gran escala) que ocurren a 0 ° C.

Se descubrió que los grupos en su lugar realizan una transición en un rango de temperaturas y oscilan en el tiempo entre los estados líquido e hielo, un efecto de su pequeño tamaño que se predijo por primera vez hace tres décadas, pero que carecía de evidencia experimental hasta ahora.

Thomas Zeuch, de la Universitat Gottingen, señala: "Los sistemas macroscópicos no tienen un mecanismo análogo; el agua es líquida o sólida. Este comportamiento oscilante parece exclusivo de los grupos en este rango de tamaño y temperatura".

Referencia

The end of ice I. Daniel R. Moberg, Daniel Becker, Christoph W. Dierking, Florian Zurheide, Bernhard Bandow, Udo Buck, Arpa Hudait, Valeria Molinero, Francesco Paesani, and Thomas Zeuch. PNAS November 4, 2019
https://doi.org/10.1073/pnas.1914254116