El hielo se congela gracias al calor

El primer paso en la formación de hielo requiere que el agua se caliente: es imprescindible para conseguir una dosis extra de energía que armonice la actividad de las moléculas de agua, de acuerdo a una nueva investigación liderada por científicos de la Universidad Tecnológica de Graz (TU Graz) en Austria.

Suena extraño si pensamos en la temperatura del hielo, pero los especialistas llegaron a esta conclusión luego de analizar al detalle las condiciones microscópicas de la formación de hielo, un proceso que hasta el momento es difícil de conocer en profundidad porque los microscopios convencionales son demasiado lentos para seguir el movimiento de las moléculas de agua.

Ahora, los científicos responsables del nuevo estudio, publicado en la revista Nature Communications, creen a partir de sus observaciones que las moléculas de agua se repelen entre sí y necesitan ganar suficiente energía para superar esa repulsión antes de concretarse la formación de hielo: en otras palabras, el agua tiene que calentarse antes de convertirse en hielo.

La paradoja del calor y el hielo

Se sabe que el agua se congela y se vuelve hielo cuando interacciona con una superficie fría. ¿Cómo sucede concretamente ese proceso a una escala microscópica? Esa es la pregunta que se hicieron los científicos austríacos, que colaboraron con colegas de las universidades británicas de Cambridge y Surrey.

Los especialistas explicaron en una nota de prensa que ese momento inicial de la formación de hielo se denomina «nucleación». El primer paso para congelar el agua se produce en un tiempo ínfimo: sucede en una fracción de una mil millonésima de segundo.

Debido a que se concreta en un tiempo tan corto, resulta imposible observar el proceso con los microscopios convencionales, como se indicó anteriormente. De esta manera, para poder apreciar la combinación de las moléculas de agua al momento de entrar en contacto con superficies a baja temperatura fue necesario emplear una nueva tecnología.

Observaciones y control del proceso

Los científicos utilizaron un artefacto denominado Helium Spin-Echo (HeSE), creado en el Laboratorio Cavendish de la Universidad de Cambridge. Permite seguir el movimiento de átomos y moléculas, mediante el análisis de la dispersión de helio sobre una superficie en concreto.

Los investigadores colocaron moléculas de agua en una superficie de grafeno helado, observando como se repelen entre ellas debido a que sus átomos de hidrógeno se orientan en la misma dirección.

El fenómeno es similar al que podría observarse al juntar dos imanes con la misma polaridad, que inmediatamente tenderán a separarse. En esas condiciones, el agua no podría convertirse en cristales de hielo.

Los resultados de las observaciones y pruebas indicaron que un paso imprescindible para que se inicie la transformación del agua en hielo es la reorganización de las moléculas dispersas, que en principio chocan y no pueden unirse para generar la «nucleación». Para conseguir ese objetivo se necesita energía adicional, que justamente proviene del calor.

Junto a las observaciones realizadas, los especialistas efectuaron simulaciones por ordenador que permitieron comprobar las características del fenómeno. Incluso lograron controlarlo, activando o desactivando el inicio de la formación de hielo al sumar un leve agregado de calor o retirarlo.

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Las aplicaciones del descubrimiento

Según los investigadores, el hallazgo hará posible avanzar hacia el desarrollo de nuevas aplicaciones y tecnologías capaces de controlar y gestionar la producción de hielo. No es un tema menor: estos avances podrían evitar el congelamiento de los motores de una aeronave en pleno vuelo o la paralización de un sistema de generación energética por las mismas causas.

Además, como el hielo se hace presente en diferentes contextos tanto en nuestro planeta como en el resto del universo, comprender en profundidad la mecánica de su formación puede tener implicaciones en múltiples campos de investigación.

Referencia

Motion of water monomers reveals a kinetic barrier to ice nucleation on graphene. Anton Tamtögl, Emanuel Bahn, Marco Sacchi, Jianding Zhu, David J. Ward, Andrew P. Jardine, Stephen J. Jenkins, Peter Fouquet, John Ellis and William Allison. Nature Communications (2021).DOI:https://doi.org/10.1038/s41467-021-23226-5

Foto: los resultados del estudio conducen a una comprensión completamente nueva de la formación de hielo: las moléculas de agua requieren energía adicional en forma de calor antes de congelarse. Crédito: Lunghammer – TU Graz.