El equipo de investigación, cuyo estudio fue publicado en Nature Communications , realizó experimentos para descubrir la formación de una película de salmuera (agua salada) sobre las gotas de agua de mar congeladas, algo que no se había informado anteriormente.

Esto fue acompañado por la aparición de cristales de hielo desde el fondo de la película de salmuera, que crecen hasta perforar la parte superior de la gota en un fenómeno denominado "brote de hielo". Estos se validaron mediante simulaciones de dinámica molecular (MD)

Además, llevaron a cabo un experimento análogo para medir las tasas de precipitación y condensación del hielo, lo que respalda el mecanismo propuesto.

Congelación de agua pura versus agua salada

La congelación de gotas de agua pura suele seguir un proceso bien conocido en el que la gota se enfría gradualmente hasta alcanzar su punto de congelación. Luego, los cristales de hielo se forman y crecen, tomando una estructura de hielo sólida con una punta singular y puntiaguda.

Por otro lado, la congelación de gotas de agua salada introduce complejidades adicionales. A medida que la gota se congela, la concentración de sal en el interior afecta el punto de congelación, normalmente reduciéndolo en comparación con el agua pura. Esto también hace que la punta puntiaguda de la gota desaparezca, como se informó en investigaciones anteriores.

El proceso de formación de hielo, que se refiere a la acumulación de hielo en superficies u objetos debido a la congelación de gotas de agua, puede causar daños en varios procesos, como la navegación, la aviación y la infraestructura.

Sin embargo, el comportamiento de las gotas de agua salada introduce consideraciones adicionales. La presencia de una capa de salmuera puede influir en la adhesión de la gota congelada a las superficies, lo que podría afectar las estrategias antihielo o los revestimientos de superficies diseñados para mitigar la formación de hielo.

El primer autor del estudio, el Dr. Fuqiang Chu, profesor asociado de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing, habló con Phys.org sobre su trabajo.

"Tengo curiosidad por el fenómeno de la formación de hielo y comencé a estudiarlo mientras cursaba mi doctorado. Sin embargo, creo que la gente no podía comprender completamente este fenómeno hasta ahora, especialmente cuando se utiliza una gota binaria, como una gota salada".

"En este trabajo, estudiamos el proceso de congelación de gotas saladas y tratamos de descubrir la singularidad de la congelación de gotas saladas en comparación con las gotas de agua pura", dijo el Dr. Chu.

Observación y análisis del proceso de congelación

Para estudiar el proceso de congelación del agua salada, los investigadores utilizaron agua salada con diferentes concentraciones de sal. Utilizaron un módulo de refrigeración semiconductor para proporcionar enfriamiento controlado, lo que les permitió ajustar la temperatura de la superficie por debajo del punto de congelación de las gotas.

Se inyectaron gotas de agua salada en la superficie experimental, donde se sometieron al proceso de congelación. Se utilizó microfotografía de alta velocidad para registrar y analizar los fenómenos de formación de hielo, incluida la formación de una película líquida sobre las gotas congeladas.

Observaron la presencia de salmuera concentrada dentro de las gotas saladas congeladas, lo que indica una congelación incompleta, que es diferente de la congelación de gotas de agua pura.

Basándose en mediciones de temperatura, los investigadores idearon un método para predecir la duración de la congelación de las gotas saladas. Correlacionaron la aparición de una película líquida sobre las gotas congeladas con el final del proceso de congelación, proporcionando un indicador visual para determinar el tiempo de congelación.

Luego, las simulaciones de MD se utilizaron para validar y complementar los resultados experimentales al ofrecer una perspectiva a nivel molecular, lo que permitió a los investigadores comprender los mecanismos subyacentes que impulsan los fenómenos observados.

Las simulaciones MD tenían como objetivo reproducir las observaciones experimentales y proporcionar información adicional sobre las interacciones moleculares que ocurren durante la congelación de gotas mediante la simulación del comportamiento de iones, moléculas de agua e interfaces de congelación a nanoescala.

Brotes de hielo

Los investigadores observaron la formación de una capa de salmuera encima de la gota congelada. Esta capa evita la formación de una punta puntiaguda y mantiene una temperatura estable dentro de la gota.

"Después de la formación de la película de salmuera, algunos cristales de hielo comienzan a brotar en la parte inferior de la película, lo cual es muy similar al proceso de germinación de las semillas. Este fenómeno de formación de hielo me sorprendió, haciéndome sentir como si las gotas estuvieran vivas y alimentar una nueva vida", afirmó el Dr. Chu.

Este fenómeno único provoca la perforación de la película de salmuera y un mayor crecimiento de cristales de hielo en el aire.

El fenómeno de la formación de hielo se rige por la condensación interfacial en la película de salmuera saturada en condiciones de aire húmedo.

En otras palabras, dado que la temperatura de la película de salmuera es menor que el punto de rocío del aire circundante (la temperatura a la que el aire se satura con vapor de agua), hace que el vapor de agua del aire se condense en la interfaz de la película de salmuera. /P>

Esta agua condensada diluye la película de salmuera, alterando su equilibrio o equilibrio. Como consecuencia de esta dilución, la película de salmuera se sobresatura con sal, lo que provoca la precipitación de cristales de hielo desde el interior de la película. Los cristales de hielo que se forman dentro de la película de salmuera aumentan su concentración de sal, volviendo así a saturar la película de salmuera a su temperatura.

"Esto sugiere que el efecto de la humedad ambiental no puede ignorarse al estudiar la transición de fase o el proceso de cristalización de las soluciones", añadió el Dr. Chu.

Definición universal de duración de congelación

Además de estos dos fenómenos observados, los investigadores propusieron una definición universal de duración de la congelación para cuantificar la tasa de formación de hielo de las gotas con diferentes concentraciones de sal. Este es un parámetro importante para evaluar el rendimiento de las superficies y tecnologías antihielo.

"Utilizando nuestra definición de duración de la congelación de las gotas saladas, los investigadores podrán evaluar cuantitativamente el rendimiento de sus métodos anticongelantes contra las gotas saladas. Esto puede ser útil para el desarrollo de tecnologías anticongelantes marinas", explicó el Dr. Chu.

Identificar la formación de la película de salmuera sobre las gotas congeladas proporciona a los investigadores una forma estandarizada de marcar el final del proceso de congelación, lo que facilita medir y comparar el comportamiento de congelación de las gotas.

Hablando de posibles aplicaciones de las tecnologías antihielo, el Dr. Chu menciona la reducción de la adhesión de las gotas de agua salada congeladas.

"Para una gota de agua salada, todo el proceso de formación de hielo se manifiesta como un crecimiento aleatorio de cristales de hielo, y queda salmuera concentrada en las grietas de los cristales de hielo".

"Como resultado, la adhesión de las gotas de agua salada congelada no sólo depende del área de contacto, sino que también se relaciona con la orientación del crecimiento de las dendritas del hielo y la distribución de la salmuera concentrada. Esto se puede controlar ajustando la posición de los sitios de nucleación (formación inicial) para obtener una baja adherencia del hielo", explicó el Dr. Chu.