¿Cómo se forma el hielo? Asombrosamente, la ciencia no ha respondido completamente a esa pregunta. Las diferencias en la formación de hielo en varias superficies aún no se comprenden bien, pero los investigadores explicarán hoy su hallazgo de que los arreglos que los átomos de la superficie imponen a las moléculas de agua son la clave. El trabajo tiene implicaciones para prevenir la formación de hielo donde no se desea (parabrisas, líneas eléctricas) y para promover la formación de hielo donde se encuentre (conservación de alimentos u órganos). Los resultados también podrían ayudar a mejorar la predicción del tiempo.

Los investigadores presentarán sus hallazgos hoy en la Reunión y Exposición Nacional de Otoño de 2019 de la American Chemical Society (ACS).

"Descubrimos que si miramos la estructura del agua líquida donde entra en contacto con la superficie, podemos comenzar a comprender y predecir si una superficie determinada promoverá o inhibirá la formación de hielo, "dice Sapna Sarupria, Doctor., investigador principal del proyecto. "Estamos trabajando con colaboradores para utilizar esta información para comprender mejor el papel del hielo en el clima y diseñar superficies que sean buenas o malas para la formación de hielo. ¿No sería genial tener un parabrisas que no permita que el hielo se pegue? a ella en invierno? "

El equipo de Sarupria utiliza computadoras para estudiar simulaciones moleculares de superficies y formación de hielo. A diferencia del mundo real más desordenado, esta configuración controlada le da la capacidad de examinar el impacto de un cambio en un solo parámetro de la superficie, o incluso en un solo átomo, a la vez. Luego, los investigadores correlacionan los hallazgos con los de los experimentales que trabajan con materiales del mundo real, incluyendo yoduro de plata o minerales como mica y caolinita. El yoduro de plata es tan eficaz para promover la formación de hielo que se utiliza para la siembra de nubes para estimular la lluvia durante las sequías.

Formación de hielo o nucleación, ocurre cuando el agua líquida experimenta una transición de fase a agua sólida. El agua también puede sufrir otras transiciones de fase, como cambiar de hielo a líquido, o vaporizar. Si estas transiciones tienen lugar en las nubes, pueden formar gotas de lluvia y nieve. "Cuando quieras predecir el clima, necesita saber cómo ocurren estas transiciones de fase, y esa es esencialmente una pregunta abierta, "dice Sarupria, que está en la Universidad de Clemson. A menudo, estos cambios ocurren en presencia de partículas como polvo mineral en la atmósfera. El tipo y la cantidad de polvo determinan el tipo de precipitación que se produce. "Estamos tratando de comprender cómo las diferentes superficies de partículas de polvo afectan la transición del agua de la fase líquida a la sólida en las nubes, " ella dice.

Buen viejo H ₂ O es solo eso:un oxígeno unido a dos hidrógenos. Esos hidrógenos se sienten atraídos por algunas superficies más que otras, y eso afecta cómo se orientan las moléculas de agua en una superficie. Su disposición con respecto a los átomos de la superficie en las partículas de polvo y en relación con otras moléculas de agua es en realidad el factor más importante en la formación de hielo. El equipo de Sarupria lo descubrió. Este hallazgo también explica por qué el yoduro de plata es un nucleador tan bueno. Primero, sus átomos de superficie están dispuestos de una manera similar a la disposición de las moléculas de agua en el hielo, por lo que es una plantilla eficaz. Segundo, la carga positiva del ión de plata y la carga negativa del yodo orientan los hidrógenos y oxígenos del agua líquida de la manera correcta para que forme una estructura de hielo. "Las distancias entre los átomos, y este arreglo de cargos, son muy importantes para que el yoduro de plata sea un nucleador, "Dice Sarupria.

Los investigadores ahora están colaborando con experimentadores que estudian los fenómenos atmosféricos para ayudarlos a explicar sus resultados. "Si podemos modelar estos fenómenos, es posible que podamos comprender mejor el papel del hielo en el clima, " ella explica.

Sarupria también está aplicando su conocimiento de la estructura del agua para diseñar superficies que pueden promover o inhibir la formación de hielo. Por ejemplo, para evitar daños durante el almacenamiento de alimentos o la criopreservación de órganos, alguien en el futuro podría usar el nuevo conocimiento para formar hielo a temperaturas cercanas a 32 F, el punto de congelación del agua, en lugar de a temperaturas más bajas. Esto podría hacerse modificando la superficie del empaque o agregando moléculas a la solución para crioconservación. "En otros casos, como parabrisas y cables eléctricos, es posible que no desee que se forme hielo, ", Dice Sarupria." Así que estamos tratando de descubrir cómo hacer revestimientos o superficies que no permitan que se forme hielo. o si se forma, eso no dejará que se quede ". Su equipo también está tratando de comprender cómo las proteínas anticongelantes naturales ayudan a los peces y otros organismos a sobrevivir en condiciones gélidas". ya sean estas proteínas o partículas de polvo, todo se reduce a cómo afectan la estructura del agua, ", dice." Queremos utilizar esta información para crear un parámetro que podría ayudarnos a examinar rápidamente las superficies para determinar su capacidad de nucleación de hielo ".