Izquierda:las nubes de hielo en la atmósfera superior dispersan la luz, a veces creando halos alrededor del sol. Para comprender mejor cómo las nubes interactúan con la luz solar y la atmósfera, los investigadores han creado una forma especial de hielo en el laboratorio. Derecha:Los cristales de hielo recién creados dispersan los rayos X en un patrón de círculos concéntricos con una frecuencia e intensidad particulares. lo que indica que las moléculas de agua en los cristales tienen una disposición cúbica casi perfecta. Crédito:Foto vía Pixabay, Imagen de difracción de rayos X cortesía de la Universidad Estatal de Ohio.
No encontrará cubitos de hielo como este en su congelador.
Un equipo internacional de científicos ha establecido un nuevo récord en la creación de cristales de hielo que tienen una disposición cúbica casi perfecta de moléculas de agua, una forma de hielo que puede existir en las nubes más frías a gran altitud pero que es extremadamente difícil de producir en la Tierra.
La capacidad de fabricar y estudiar hielo cúbico en el laboratorio podría mejorar los modelos informáticos de cómo las nubes interactúan con la luz solar y la atmósfera, dos claves para comprender el cambio climático. dijo Barbara Wyslouzil, líder del proyecto y profesor de ingeniería química y biomolecular en la Universidad Estatal de Ohio.
También podría mejorar nuestra comprensión del agua, una de las moléculas más importantes para la vida en nuestro planeta.
Visto bajo un microscopio, hielo de agua normal:todo, desde estanques congelados, a la nieve, al hielo que hacemos en casa, está hecho de cristales con simetría hexagonal, Wyslouzil explicó. Pero con solo un ligero cambio en la forma en que las moléculas de agua están dispuestas en el hielo, los cristales pueden tomar una forma cúbica.
Hasta aquí, Los investigadores han utilizado la presencia de nubes frías de hielo cúbico muy por encima de la superficie de la tierra para explicar los halos interesantes observados alrededor del sol. así como la presencia de cristales de hielo triangulares en la atmósfera. Los científicos han luchado durante décadas para hacer hielo cúbico en el laboratorio, pero debido a que la forma cúbica es inestable, lo más cerca que ha estado alguien es de hacer cristales híbridos que son alrededor del 70 por ciento cúbicos, 30 por ciento hexagonal.
Los investigadores crearon cristales de hielo con una disposición cúbica casi perfecta de moléculas de agua, para comprender mejor cómo interactúan las nubes de hielo a gran altitud con la luz solar y la atmósfera. En esta imagen de difracción de rayos X, los cristales de hielo tienen rayos X dispersos para crear anillos concéntricos, que son una huella dactilar de la disposición molecular dentro de los cristales. Crédito:Universidad Estatal de Ohio.
En un artículo publicado en el Revista de letras de química física , Wyslouzil, Andrew Amaya, asociado de investigación graduado, y sus colaboradores describen cómo fueron capaces de crear gotas de agua congeladas que eran casi un 80 por ciento cúbicas.
"Si bien es posible que el 80 por ciento no suene 'casi perfecto, 'la mayoría de los investigadores ya no creen que se pueda obtener hielo cúbico 100% puro en el laboratorio o en la naturaleza, ", dijo." Así que la pregunta es, ¿Qué tan cúbico podemos hacerlo con la tecnología actual? Experimentos anteriores y simulaciones por computadora observaron hielo que es aproximadamente 75 por ciento cúbico, pero lo hemos superado ".
Para hacer el hielo altamente cúbico, los investigadores extrajeron nitrógeno y vapor de agua a través de boquillas a velocidades supersónicas. Cuando el gas se expandió, se enfrió y formó gotas cien mil veces más pequeñas que la gota de lluvia promedio. Estas gotas estaban muy superenfriadas, lo que significa que eran líquidos muy por debajo de la temperatura de congelación habitual de 32 grados Fahrenheit (0 grados Celsius). De hecho, las gotas permanecieron líquidas hasta aproximadamente -55 grados Fahrenheit (alrededor de -48 grados Celsius) y luego se congelaron en aproximadamente una millonésima de segundo.
Para medir la cubicidad del hielo formado en la boquilla, Los investigadores realizaron experimentos de difracción de rayos X en la fuente de luz coherente Linac (LCLS) en el Laboratorio Nacional del Acelerador SLAC en Menlo Park. CALIFORNIA. Allí, golpearon las gotas con el láser de rayos X de alta intensidad de LCLS y registraron el patrón de difracción en una cámara de rayos X. Vieron anillos concéntricos en longitudes de onda e intensidades que indicaron que los cristales eran alrededor del 80 por ciento cúbicos.
Las temperaturas extremadamente bajas y la congelación rápida fueron cruciales para la formación de hielo cúbico, Wyslouzil dijo:"Dado que las gotas de agua líquida en las nubes a gran altitud suelen estar sobreenfriadas, hay una buena posibilidad de que se forme hielo cúbico allí ".
Actualmente se desconoce exactamente por qué fue posible hacer cristales con alrededor del 80 por ciento de cubicidad. Pero, luego otra vez, También se desconoce exactamente cómo se congela el agua a nivel molecular.
"Cuando el agua se congela lentamente, podemos pensar en el hielo como si se construyera a partir de moléculas de agua de la misma manera que se construye una pared de ladrillos, un ladrillo encima del otro, "dijo Claudiu Stan, investigador asociado en el Stanford PULSE Institute en SLAC y socio en el proyecto. "Pero la congelación en las nubes a gran altitud ocurre demasiado rápido para que ese sea el caso; en cambio, se podría pensar que la congelación comienza a partir de una pila desordenada de ladrillos que se reorganiza apresuradamente para formar una pared de ladrillos, posiblemente contenga defectos o tenga una disposición inusual. Este tipo de proceso de fabricación de cristales es tan rápido y complejo que necesitamos equipos sofisticados solo para comenzar a ver lo que está sucediendo. Nuestra investigación está motivada por la idea de que en el futuro podemos desarrollar experimentos que nos permitan ver los cristales a medida que se forman ".
