En días fríos el vapor de agua en el aire puede transformarse directamente en hielo sólido, depositando una fina capa sobre superficies como el cristal de una ventana o el parabrisas de un coche. Aunque es un lugar común, este proceso ha mantenido ocupados a los físicos y químicos descubriendo los detalles durante décadas.

En un nuevo Naturaleza papel, un equipo internacional de científicos describe la primera visualización de la estructura atómica del hielo bidimensional a medida que se formó. Perspectivas de los hallazgos, que fueron impulsados ​​por simulaciones por computadora que inspiraron el trabajo experimental, algún día puede informar el diseño de materiales que hagan de la remoción de hielo un proceso más simple y menos costoso.

"Una de las cosas que encuentro muy emocionantes es que esto desafía la visión tradicional de cómo crece el hielo, "dice Joseph S. Francisco, químico atmosférico de la Universidad de Pennsylvania y autor del artículo.

"Conocer la estructura es muy importante, "agrega el coautor Chongqin Zhu, un becario postdoctoral en el grupo de Francisco que dirigió gran parte del trabajo computacional para el estudio. "El agua de baja dimensión es omnipresente en la naturaleza y desempeña un papel fundamental en un espectro increíblemente amplio de ciencias, incluida la ciencia de los materiales, química, biología, y ciencia atmosférica.

"También tiene un significado práctico. Por ejemplo, eliminar el hielo es fundamental cuando se trata de cosas como turbinas eólicas, que no pueden funcionar cuando están cubiertos de hielo. Si entendemos la interacción entre el agua y las superficies, entonces podríamos desarrollar nuevos materiales para facilitar la remoción de hielo ".

En años recientes, El laboratorio de Francisco ha dedicado considerable atención al estudio del comportamiento del agua, y específicamente hielo, en la interfaz de superficies sólidas. Lo que han aprendido sobre los mecanismos y estructuras de crecimiento del hielo en este contexto les ayuda a comprender cómo se comporta el hielo en escenarios más complejos. como cuando interactúa con otros productos químicos y vapor de agua en la atmósfera.

"Estamos interesados ​​en la química del hielo en la transición con la fase gaseosa, ya que eso es relevante para las reacciones que están sucediendo en nuestra atmósfera, Francisco explica.

Para comprender los principios básicos del crecimiento del hielo, Los investigadores han entrado en esta área de estudio investigando estructuras bidimensionales:capas de hielo que tienen solo varias moléculas de agua de espesor.

En estudios previos de hielo bidimensional, utilizando métodos computacionales y simulaciones, Francisco, Zhu, y sus colegas demostraron que el hielo crece de manera diferente dependiendo de si una superficie repele o atrae el agua, y la estructura de esa superficie.

En el trabajo actual, buscaron la verificación del mundo real de sus simulaciones, contactando a un equipo de la Universidad de Pekín para ver si podían obtener imágenes de hielo bidimensional.

El equipo de Pekín empleó microscopía de fuerza atómica superpoderosa, que utiliza una sonda mecánica para "sentir" el material que se está estudiando, traduciendo la retroalimentación en imágenes de resolución a nanoescala. La microscopía de fuerza atómica es capaz de capturar información estructural con un mínimo de interrupción del material en sí, permitiendo a los científicos identificar incluso estructuras intermedias inestables que surgieron durante el proceso de formación del hielo.

Prácticamente todo el hielo natural de la Tierra se conoce como hielo hexagonal por su estructura de seis lados. Es por eso que todos los copos de nieve tienen una simetría de seis veces. Un plano de hielo hexagonal tiene una estructura similar a la del hielo bidimensional y puede terminar en dos tipos de bordes:"zigzag" o "sillón". Por lo general, este plano de hielo natural termina con bordes en zigzag.

Sin embargo, cuando el hielo crece en dos dimensiones, los investigadores encuentran que el patrón de crecimiento es diferente. El trabajo actual, por primera vez, muestra que los bordes del sillón se pueden estabilizar y que su crecimiento sigue una vía de reacción novedosa.

"Este es un mecanismo totalmente diferente de lo que se conocía, "Dice Zhu.

Aunque anteriormente se creía que los patrones de crecimiento en zigzag solo tenían anillos de seis miembros de moléculas de agua, Tanto los cálculos de Zhu como la microscopía de fuerza atómica revelaron una etapa intermedia en la que estaban presentes anillos de cinco miembros.

Este resultado, los investigadores dicen, puede ayudar a explicar las observaciones experimentales informadas en su artículo PNAS de 2017, que descubrió que el hielo podía crecer de dos formas diferentes en una superficie, dependiendo de las propiedades de esa superficie.

Además de brindar información sobre el diseño futuro de materiales propicios para la eliminación de hielo, Las técnicas utilizadas en el trabajo también son aplicables para sondear el crecimiento de una gran familia de materiales bidimensionales más allá de los hielos bidimensionales. abriendo así una nueva vía de visualización de la estructura y dinámica de la materia de baja dimensión.

Para el químico Jeffrey Saven, un profesor de Penn Arts &Sciences que no participó directamente en el trabajo actual, la colaboración entre los teóricos del grupo de Francisco y sus colegas en China le recordó una parábola que aprendió de un mentor durante su formación.

"Un experimentalista está hablando con teóricos sobre los datos recopilados en el laboratorio. El teórico mediocre dice:Realmente no puedo explicar tus datos. El buen teórico dice:Tengo una teoría que se ajusta a sus datos. El gran teórico dice:'Eso es interesante, pero aquí está el experimento que debería hacer y por qué '".

Para aprovechar esta exitosa asociación, Zhu, Francisco, y sus colegas se están embarcando en un trabajo teórico y experimental para comenzar a llenar los vacíos relacionados con la forma en que el hielo bidimensional se convierte en tres dimensiones.

"El trabajo bidimensional es fundamental para sentar el fondo, "dice Francisco." Y tener los cálculos verificados por experimentos es tan bueno, porque eso nos permite volver a los cálculos y dar el siguiente paso audaz hacia las tres dimensiones ".

"Buscar características del hielo tridimensional será el siguiente paso, "Zhu dice, "y debería ser muy importante en la búsqueda de aplicaciones de este trabajo".