En el corazón de las nubes hay cristales de hielo. Y en el corazón de los cristales de hielo a menudo, son partículas de aerosol:polvo en la atmósfera sobre el que se puede formar hielo más fácilmente que al aire libre.

Es un poco misterioso cómo sucede esto aunque, porque los cristales de hielo son estructuras ordenadas de moléculas, mientras que los aerosoles suelen ser trozos desorganizados. Nueva investigación de Valeria Molinero, distinguido profesor de química, y Atanu K. Metya, ahora en el Instituto Indio de Tecnología de Patna, muestra cómo los cristales de moléculas orgánicas, un componente común de aerosoles, puede hacer el trabajo.

La historia es más que eso sin embargo, es un retroceso a la investigación sobre la siembra de nubes de la era de la Guerra Fría y una investigación sobre un efecto de memoria peculiar que hace que el hielo se forme más fácilmente en estos cristales la segunda vez.

La investigación, financiado por la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea, se publica en el Revista de la Sociedad Química Estadounidense .

Retroceso a la siembra de nubes

La investigación de Molinero se centra en cómo se forma el hielo, particularmente el proceso de nucleación, que es el comienzo de la formación de cristales de hielo. En las condiciones adecuadas, las moléculas de agua pueden nuclear el hielo por sí mismas. Pero a menudo algún otro material, llamado nucleante, puede ayudar al proceso.

Después de varios estudios sobre las formas en que las proteínas pueden ayudar a formar hielo, Molinero y Metya dirigieron su atención a los nucleantes de hielo orgánico (como se usa aquí, "orgánico" significa compuestos orgánicos que contienen carbono) porque son similares a las proteínas productoras de hielo y se encuentran en aerosoles en el aire.

Pero una revisión de la literatura científica encontró que los artículos que discuten la nucleación del hielo por compuestos orgánicos provienen de las décadas de 1950 y 1960, con muy poco trabajo de seguimiento después de eso hasta hace muy poco.

"Eso me dio mucha curiosidad, "Molinero dice, "porque ahora hay mucho interés en los aerosoles orgánicos y si promueven la formación de hielo en las nubes y cómo lo hacen, pero toda esta nueva literatura parecía disociada de estos primeros estudios fundamentales de los nucleantes orgánicos del hielo ".

Investigaciones adicionales revelaron que el trabajo inicial sobre nucleantes orgánicos de hielo estaba relacionado con el estudio de la siembra de nubes, una línea de investigación de posguerra sobre cómo las partículas (principalmente yoduro de plata) podrían introducirse en la atmósfera para fomentar la formación de nubes y la precipitación. Los científicos exploraron las propiedades de los compuestos orgánicos como nucleantes del hielo para ver si podrían ser alternativas rentables al yoduro de plata.

Pero la investigación sobre la siembra de nubes colapsó en la década de 1970 después de que las presiones políticas y los temores a la modificación del clima llevaron a la prohibición de la práctica en la guerra. La financiación y el interés en los nucleantes de hielo orgánico se agotaron hasta hace poco, cuando la investigación climática estimuló un interés renovado en la química de la formación del hielo en la atmósfera.

"Ha habido un interés creciente en la nucleación de hielo por aerosoles orgánicos en los últimos años, pero sin conexión con estos viejos estudios sobre cristales orgánicos, "Molinero dice". Pensé que era hora de "rescatarlos" en la literatura moderna ".

Yendo todo clásico

El floroglucinol es uno de los nucleantes orgánicos estudiados a mediados de los años 20. ^th siglo. Se mostró prometedor para controlar la niebla, pero menos para la siembra de nubes. Molinero y Metya revisaron el floroglucinol, ya que demostró ser potente en la nucleación del hielo en el laboratorio.

Una pregunta a responder es si el floroglucinol nuclea el hielo a través de procesos clásicos o no clásicos. Cuando el hielo se nuclea por sí solo, sin superficies u otras moléculas, el único obstáculo que hay que superar es la formación de un cristalito estable de hielo (de sólo unas 500 moléculas de tamaño en algunas condiciones) sobre el que otras moléculas pueden construir para hacer crecer un cristal de hielo. Eso es nucleación clásica.

Nucleación no clásica, que involucra una superficie nucleante, ocurre cuando una capa de moléculas de agua se ensambla en la superficie sobre la cual otras moléculas de agua pueden organizarse en una red cristalina. El obstáculo a superar en la nucleación no clásica es la formación de la monocapa.

¿Qué se aplica al floroglucinol? En los años 1960, El investigador L.F. Evans concluyó que no era clásico. "¡Todavía me sorprende que haya podido deducir la existencia de una monocapa e inferir que el mecanismo no era clásico a partir de experimentos de congelación en función de la temperatura únicamente!" Dice Molinero. Pero Molinero y Metya, utilizando simulaciones moleculares de cómo se forma el hielo, descubrió que es más complicado.

"Encontramos que el paso que realmente decide si el agua se transforma en hielo o no no es la formación de la monocapa, sino el crecimiento de un cristalito de hielo en la parte superior". "Eso hace que la formación de hielo por compuestos orgánicos sea clásica, aunque no menos fascinante", dice Molinero.

Aferrándose a los recuerdos del hielo

Los investigadores también utilizaron sus métodos de simulación para investigar un interesante efecto de memoria previamente observado con nucleantes orgánicos y otros. Cuando se forma hielo, fundido y formado de nuevo utilizando estos nucleantes, la segunda ronda de cristalización es más eficaz que la primera. Se supone que el hielo se derrite por completo entre cristalizaciones, y los investigadores han planteado varias posibles explicaciones.

Molinero y Metya descubrieron que el efecto memoria no se debe a que el hielo cambie la superficie nucleante, ni a la monocapa de agua que persiste en la superficie nucleante después de la fusión. En lugar de, sus simulaciones respaldaron una explicación en la que las grietas en el nucleante pueden retener pequeñas cantidades de hielo que se derriten a temperaturas más altas que el resto del hielo en el experimento. Si estas grietas están adyacentes a una de las superficies de los cristales nucleantes que es buena para formar hielo, luego se va a las carreras cuando comienza la segunda ronda de congelación.

Algo en el aire

Aún quedan otros misterios:los estudios de mediados de siglo sobre cristales orgánicos encontraron que a altas presiones, alrededor de 1500 veces la presión atmosférica, que los cristales son tan eficientes para organizar las moléculas de agua en hielo como el propio cristal de hielo. ¿Por qué? Ese es el foco de los próximos experimentos de Molinero.

Más inmediatamente, aunque, floroglucinol es un compuesto natural en la atmósfera, por lo que cualquier cosa que los investigadores puedan aprender sobre él y otros nucleantes orgánicos puede ayudar a explicar la capacidad de los aerosoles para nuclear el hielo y regular la formación de nubes y la precipitación.

"Sería importante investigar si los pequeños cristalitos de estos nucleantes de hielo cristalinos son responsables de la desconcertante capacidad de nucleación de hielo de los aerosoles orgánicos que de otro modo serían amorfos". "Dice Molinero.