Hace 150 años, El físico Michael Faraday descubrió que en la superficie del hielo congelado, muy por debajo de 0 ° C, está presente una fina película de agua similar a un líquido. Esta fina película hace que el hielo sea resbaladizo y es crucial para el movimiento de los glaciares.

Desde el descubrimiento de Faraday, Los científicos han explorado las propiedades de esta capa similar al agua, intentando determinar la temperatura a la que la superficie se vuelve líquida. ¿Cómo depende el grosor de la capa de la temperatura? ¿Cómo aumenta el grosor de la capa con la temperatura? ¿Continuamente? Paso a paso? Los experimentos realizados hasta la fecha han mostrado, en general, una capa muy fina, que crece continuamente en espesor hasta 45 nm justo por debajo del punto de fusión a granel a 0 ° C. Esto también ilustra por qué ha sido tan difícil estudiar esta capa de agua similar a un líquido sobre hielo:45 nm es aproximadamente una milésima del grosor del cabello humano y no es perceptible a simple vista.

Científicos del Instituto Max Planck de Investigación de Polímeros (MPI-P), en colaboración con investigadores de los Países Bajos, EE. UU. y Japón, han estudiado las propiedades de esta capa cuasi-líquida sobre hielo a nivel molecular utilizando espectroscopía avanzada de superficie específica y simulaciones por computadora. Los resultados se publican en la última edición de la revista científica. Actas de la Academia Nacional de Ciencias ( PNAS ).

Los científicos investigaron cómo se forma la fina capa líquida en el hielo, cómo crece con el aumento de temperatura, y si se distingue del agua líquida normal. Estos estudios requirieron superficies de cristales de hielo bien definidas. Por lo tanto, se dedicó mucho esfuerzo a crear cristales de hielo de ~ 10 cm, que podría cortarse de tal manera que la estructura de la superficie fuera medible. Las moléculas de agua en el líquido tienen una interacción más débil entre sí en comparación con las moléculas de agua en el hielo. Usando su espectroscopia interfacial, combinado con el calentamiento controlado del cristal de hielo, los investigadores pudieron cuantificar el cambio en la interacción entre las moléculas de agua directamente en la interfaz entre el hielo y el aire, y determinar si la superficie era sólida o líquida.

Los resultados experimentales, combinado con las simulaciones, mostró que la primera capa molecular en la superficie del hielo se fundió a temperaturas tan bajas como -38 ° C (235 K), la temperatura más baja que los investigadores pudieron investigar experimentalmente. Aumentar la temperatura a -16 ° C (257 K), la segunda capa se volvió líquida. El derretimiento de la superficie del hielo no es un proceso continuo, pero ocurre de forma discontinua, moda capa por capa.

"Otra cuestión importante para nosotros era si se podía distinguir entre las propiedades de la capa casi líquida y las del agua normal, "dice Mischa Bonn, coautor del trabajo y director del MPI-P. Y de hecho, la capa casi líquida a -4 ° C (269 K) muestra una respuesta espectroscópica diferente a la del agua sobreenfriada a la misma temperatura; en la capa casi líquida, las moléculas de agua parecen interactuar con más fuerza que en el agua líquida.

Los resultados no solo son importantes para una comprensión fundamental del hielo, sino también para la ciencia del clima, Ya que muchas reacciones catalíticas ocurren en superficies de hielo, y para lo cual la comprensión de la estructura de la superficie del hielo es crucial.