¿Qué tan pequeña es la partícula de hielo más pequeña posible? No es un copo de nieve midiendo en una enorme fracción de pulgada. Según una nueva investigación publicada en procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias , la nanogota de agua más pequeña en la que se puede formar hielo tiene sólo 90 moléculas de agua, una décima parte del tamaño del virus más pequeño. A esas pequeñas escalas, según la profesora de química de la Universidad de Utah y coautora del estudio, Valeria Molinero, la transición entre el hielo y el agua se vuelve un poco encrespada.

"Cuando tomas un vaso de agua con hielo, no ves que el agua en el vaso se vuelve todo hielo y todo líquido en función del tiempo, ", dice. En las nanogotas de agua más pequeñas, ella dice, eso es exactamente lo que sucede.

Por qué es importante el "hielo yo"

La transición entre agua y hielo es una de las transformaciones más importantes entre fases (sólidos, líquidos y gases) en nuestro planeta, donde tiene efectos únicos en nuestro clima al mismo tiempo que regula la viabilidad de la vida. Comprender las condiciones que conducen a la formación de hielo, luego, es una búsqueda activa en áreas que abarcan las ciencias ambientales y de la tierra, física, química, biología e ingeniería.

El hielo existe en la Tierra casi exclusivamente en la estructura cristalina hexagonal altamente ordenada conocida como "hielo I". En nuestra atmósfera, se forman pequeños grupos de agua y posteriormente se congelan, sembrando cristales más grandes y eventualmente nubes. Debido a los efectos termodinámicos que compiten, sin embargo, por debajo de un cierto diámetro, estos grupos de agua no pueden formar hielo termodinámicamente estable I.El rango de tamaño exacto de los grupos de agua capaces de formar hielo estable I se ha investigado a través de experimentos y teorías durante años, y las estimaciones más recientes reducen el rango desde tan solo 90 moléculas de agua. hasta 400.

Sobreenfriamiento:bajo y lento

En el pasado, Una barrera importante en el estudio experimental de este límite ha sido el enfriamiento de los grupos de líquidos superenfriados lo suficientemente lento como para permitir que la red de hielo I se forme correctamente. El enfriamiento demasiado rápido crea grupos de hielo amorfo, una fase menos ordenada. Si los racimos no se enfrían lenta y uniformemente, el resultado es una combinación antinatural de fases de hielo. Las simulaciones por computadora de la formación de hielo también enfrentan sus propios desafíos para replicar la física a nanoescala y la formación de hielo.

En el nuevo estudio, investigadores de la Universidad de Utah, la Universidad de California, San Diego, la Universität Göttingen, Los Institutos Max Planck de Investigación y Dinámica y Autoorganización del Sistema Solar en Göttingen combinan avances recientes en simulación y experimentación para desenredar la interacción entre las restricciones que actúan sobre la transición hielo-líquido en grupos de tamaño nanométrico.

Para superar el problema de enfriamiento, El equipo de Göttingen utilizó un haz molecular que genera grupos de un tamaño deseado al expandir inicialmente una mezcla de agua y argón a través de una boquilla de aproximadamente 60 micrómetros de diámetro. El rayo resultante luego se canaliza a través de tres zonas distintas donde se reduce la velocidad de enfriamiento para controlar la formación de los racimos, alcanzando una temperatura baja de 150 K (-123 ° C o -189 ° F). Se utilizaron modelos informáticos de agua desarrollados por los equipos de San Diego y Utah para simular las propiedades de las nanogotas.

El fin del hielo

Usando firmas espectroscópicas infrarrojas para monitorear la transición al hielo I en los cúmulos, los investigadores encontraron un acuerdo prometedor entre los enfoques experimental y teórico. Los resultados proporcionan una fuerte evidencia de que el "fin del hielo" ocurre cuando los cúmulos tienen alrededor de 90 moléculas de agua. En este tamaño, los grupos tienen solo alrededor de 2 nanómetros de diámetro, o aproximadamente un millón de veces más pequeño que un copo de nieve típico.

Francesco Paesani en la Universidad de California, San Diego explica, “Este trabajo conecta de manera consistente conceptos experimentales y teóricos para estudiar las propiedades microscópicas del agua de las últimas tres décadas, que ahora se puede ver en una perspectiva común ".

Oscilación inesperada

Inesperadamente, Los investigadores encontraron tanto en la simulación como en el experimento que la coexistencia del hielo se comporta de manera diferente en grupos de 90 a 150 moléculas de agua de las afiladas, Una transición de fusión bien definida que experimentamos con hielo y agua macroscópicos (a gran escala) que se producen a 0 ° C.Se descubrió que los cúmulos, en cambio, pasaban por un rango de temperaturas y oscilaban en el tiempo entre los estados líquido y hielo, un efecto de su pequeño tamaño que se predijo por primera vez hace tres décadas, pero carecía de evidencia experimental hasta ahora.

Thomas Zeuch de la Universität Göttingen señala:"Los sistemas macroscópicos no tienen un mecanismo análogo; el agua es líquida o sólida. Este comportamiento oscilante parece exclusivo de los grupos de este tamaño y rango de temperatura".

"¡No hay nada como estas oscilaciones en nuestra experiencia de coexistencia de fases en el mundo macroscópico!" Añade Molinero. En un vaso de agua ella dice, tanto el hielo como el agua son estables y pueden coexistir, independientemente del tamaño de los trozos de hielo. Pero en una nanogota que contiene tanto líquido como hielo, la mayoría de las moléculas de agua estarían en la interfaz entre el hielo y el agua, por lo que todo el grupo de dos fases se vuelve inestable y oscila entre un sólido y un líquido.

Cuando el hielo se vuelve raro

Los cúmulos de agua de los tamaños y temperaturas del experimento son comunes en los objetos interestelares y en las atmósferas planetarias. incluido el nuestro, Dice Molinero. También existen en la mesosfera, una capa atmosférica sobre la estratosfera.

"También pueden existir como bolsas de agua en una matriz de un material, incluso en cavidades de proteínas, " ella dice.

Si se pudieran controlar las transiciones oscilatorias, Molinero dice, posiblemente podrían formar la base de una nano válvula que permite el paso de materiales cuando es líquido y detiene el flujo cuando es sólido.

Los resultados van más allá del hielo y el agua. Molinero dice que los fenómenos a pequeña escala deberían ocurrir para cualquier sustancia a las mismas escalas. "En ese sentido, " ella dice, "nuestro trabajo va más allá del agua y mira de manera más general a la coda de una transición de fase, cómo se transforma de agudo a oscilatorio y luego las fases mismas desaparecen y el sistema se comporta como una gran molécula ".