Los investigadores del XFEL europeo en Schenefeld, cerca de Hamburgo, han observado más de cerca la formación de la primera cristalización de núcleos en líquidos sobreenfriados. Descubrieron que la formación comienza mucho más tarde de lo que se suponía anteriormente. Los hallazgos podrían ayudar a comprender mejor la creación de hielo en las nubes en el futuro y a describir con mayor precisión algunos procesos dentro de la Tierra.
Todo niño sabe que el agua se congela y se convierte en hielo cuando hace mucho frío. En el caso del agua, esto normalmente ocurre por debajo de 0°C, la temperatura de fusión del agua. Este es un punto fijo en la escala de temperatura Celsius que utilizamos.
Sin embargo, la transición de la fase líquida a la sólida es un proceso muy complejo y difícil de estudiar experimentalmente a nivel atómico. Una de las razones de esto es que los cristales se forman al azar:no se sabe exactamente cuándo ni dónde sucederá.
Además, un líquido puede permanecer en un estado metaestable durante mucho tiempo:permanece líquido aunque en realidad debería congelarse y volverse sólido. Esto hace que sea extraordinariamente difícil determinar el momento adecuado para que se forme un cristal y observar su crecimiento.
Sin embargo, estos efectos son de naturaleza muy relevante. Por ejemplo, desempeñan un papel decisivo en la formación de hielo en las nubes o en procesos internos de la Tierra.
Utilizando los intensos destellos de rayos X del láser de electrones libres de rayos X del XFEL europeo, un equipo internacional de investigadores del XFEL europeo en Schenefeld, cerca de Hamburgo, ha logrado medir con precisión la nucleación de líquidos sobreenfriados. Los experimentos se llevaron a cabo en el vacío para que la luz de rayos X no interactúe con las moléculas del aire, lo que interferiría con los experimentos.
La investigación se publica en la revista Physical Review Letters. .
Sin embargo, debido a su complejidad, el agua es uno de los líquidos más difíciles de modelar. Por esa razón, los investigadores utilizaron argón y criptón en forma líquida en sus experimentos. De hecho, los líquidos de gases nobles sobreenfriados son los únicos sistemas para los cuales actualmente se pueden hacer predicciones teóricas confiables.
Los investigadores estudiaron explícitamente la llamada tasa de nucleación de cristales J(T). Esta es una medida de la probabilidad de que se forme un cristal en un volumen determinado dentro de un tiempo determinado. La velocidad a la que esto sucede es un parámetro importante, por ejemplo, para poder describir matemáticamente procesos reales en modelos, por ejemplo en la predicción meteorológica o en modelos climáticos.
Dado que es tan difícil medir la formación real de cristales, a menudo se utilizan simulaciones. Sin embargo, estos están asociados con importantes incertidumbres. Por ejemplo, las tasas de nucleación simuladas para el agua pueden desviarse en varios órdenes de magnitud de las medidas experimentalmente, lo que hace que el modelado sea inexacto.
El láser de rayos X del XFEL europeo es ideal para investigaciones de este tipo:con la ayuda de intensos destellos de rayos X, los investigadores pueden investigar los cambios muy rápidos en el desarrollo de la cristalización.
El equipo eligió el instrumento MID (MID =Materials Imaging and Dynamics) para sus experimentos. Bombardearon los chorros de líquido con pulsos de rayos X que tenían una energía de 9,7 kiloelectronvoltios (keV). Cada pulso de rayos X duró menos de 25 femtosegundos (un femtosegundo corresponde a una billonésima de segundo). Por ejemplo, la luz viaja menos de un milímetro en este tiempo.
Los experimentadores dirigieron la intensa luz de rayos X sobre el chorro de líquido, que tenía sólo 3,5 micrómetros de espesor, centrándolo en una superficie con un diámetro de menos de un micrómetro. En total, el equipo registró varios millones de imágenes de difracción para tener estadísticas suficientes y determinar la tasa de formación de cristales con suficiente precisión.
Según sus resultados, las tasas de nucleación de los cristales son mucho menores que las predichas mediante simulaciones y la teoría clásica.
"El estudio promete ampliar significativamente nuestra comprensión de la cristalización", afirma Johannes Möller del instrumento MID de la europea XFEL. "Los resultados muestran que la teoría clásica ampliamente utilizada sobre la formación de cristales a partir de la fase líquida se desvía significativamente de la realidad."
"Esperamos que nuestro enfoque permita probar por primera vez varias extensiones de la teoría clásica para predecir la cristalización", añade Robert Grisenti de GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, autor principal del estudio. "Nuestros hallazgos ayudarán a los teóricos a perfeccionar sus modelos en el futuro."
