Mientras los estadounidenses se preparan para el invierno, muchos se enfrentarán a uno de sus enemigos más duros:el hielo. Desde retrasar vuelos hasta hacer que las carreteras estén resbaladizas, la acumulación de hielo en las superficies causa estragos de muchas maneras.

Pero no todo el hielo es igual. En una nueva investigación de la Universidad de Illinois en Chicago, los científicos estudiaron la pegajosidad del hielo que contiene contaminantes cotidianos como sal, jabón y alcohol. La mayoría de los estudios de laboratorio suelen probar el hielo elaborado con agua pura, pero en la naturaleza, el hielo rara vez es puro.

"Ya sean las aceras sucias o el casco de los barcos que navegan por el Ártico, siempre hay impurezas allí", dijo el autor principal Sushant Anand, profesor asociado de ingeniería mecánica e industrial en la UIC. "Entonces, la pregunta natural que nos viene a la mente es:¿Cuál es la influencia de estos compuestos en la fuerza con la que el hielo se adhiere a las superficies?"

El laboratorio de Anand preparó hielo con distintas concentraciones de contaminantes y probó con qué fuerza se adherían a diferentes materiales industriales. Sorprendentemente, descubrieron que el hielo impuro era mucho menos pegajoso que el hielo elaborado con agua pura en determinadas condiciones.

La causa de este resbaladizo se remonta a cómo el agua se congela cuando contiene impurezas y a la estructura única donde el hielo toca un material sólido, llamada capa cuasi líquida.

"La región de hielo cercana a un sólido tiene propiedades similares a las de un líquido, y su espesor podría contribuir a la adherencia del hielo", dijo Anand. "Pero esta región es realmente difícil de analizar mediante experimentos".

Entonces, se asoció con su colega de la UIC Subramanian Sankaranarayanan y su grupo en el Laboratorio Nacional UIC/Argonne para estudiar esta capa y cómo cambia con diferentes niveles de impurezas, utilizando simulaciones de dinámica molecular. Descubrieron que cuando el agua impura se congela, expulsa contaminantes que drenan a lo largo de canales y límites de granos de hielo hacia la base del hielo, donde forma una capa líquida que le da al hielo una mayor resbaladiza.

"Estos conocimientos podrían conducir al diseño de técnicas de preparación para el invierno de próxima generación que liberen lentamente contaminantes para facilitar el desprendimiento del hielo", dijo el doctorado graduado. estudiante Rukmava Chatterjee, primera autora del artículo.

Los sorprendentes resultados de las pruebas plantearon otra pregunta:si las pequeñas concentraciones de sal hacen que sea menos probable que el hielo se adhiera a las superficies, ¿por qué los barcos en climas árticos que navegan por agua salada todavía luchan con la formación de hielo?

Los experimentos revelaron que la tasa de congelación del agua puede influir en cómo las impurezas migran a regiones donde el hielo toca un sólido. Un proceso de congelación lento provoca el aislamiento de los contaminantes en bolsas concentradas o incluso su expulsión completa, produciendo hielo más puro y fuerte. Una congelación más rápida preserva los contaminantes dentro del hielo y su acumulación en la interfaz hielo-sólido, lo que lleva a una adhesión más débil.

"Nuestro estudio representa sólo la punta del iceberg, y abre nuevas líneas de investigación sobre cómo se adhiere el hielo impuro con implicaciones generalizadas en múltiples disciplinas", afirmó Anand.

Los hallazgos se publican en la revista Materials Horizons. .

Más información: Rukmava Chatterjee et al, Adhesión de hielo impuro en superficies, Materials Horizons (2023). DOI:10.1039/D3MH01440A

Información de la revista: Horizontes de materiales

Proporcionado por la Universidad de Illinois en Chicago