Crédito:Universidad de Surrey
En un artículo publicado en Comunicaciones de la naturaleza , el equipo de investigación detalla los complejos procesos físicos en funcionamiento para comprender la química de la formación del hielo. La perspectiva a nivel molecular de este proceso puede ayudar a predecir la formación y el derretimiento del hielo, desde cristales individuales hasta glaciares y capas de hielo. Este último es fundamental para cuantificar la transformación ambiental en relación con el cambio climático y el calentamiento global.
El equipo pudo rastrear el primer paso en la formación de hielo, llamado nucleación, que ocurre en un período de tiempo increíblemente corto, una fracción de mil millonésima de segundo, cuando las moléculas de agua individuales altamente móviles se encuentran y se fusionan. Sin embargo, Los microscopios convencionales son demasiado lentos para seguir el movimiento de las moléculas de agua. por lo que es imposible usarlos para monitorear cómo se combinan las moléculas sobre superficies sólidas.
El equipo de investigación utilizó una máquina Helium Spin-Echo (HeSE) de última generación para seguir el movimiento de átomos y moléculas. El equipo utilizó HeSE para estudiar el movimiento de las moléculas de agua en una superficie de grafeno prístina modelo. Los investigadores hicieron una observación notable:las moléculas de agua se repelen entre sí y necesitan ganar suficiente energía para superar esa repulsión antes de que pueda comenzar a formarse hielo.
Es la combinación de métodos experimentales y teóricos lo que ha permitido al equipo internacional de científicos desentrañar el comportamiento de las moléculas de agua. Juntos estos han capturado, por primera vez, exactamente cómo evoluciona el primer paso de la formación de hielo en una superficie y les permite proponer un mecanismo físico previamente desconocido.
Dr. Marco Sacchi, coautor del estudio y becario de investigación de la Royal Society University en la Universidad de Surrey, dijo:"Nuestros resultados muestran que las moléculas de agua necesitan superar una barrera de energía pequeña pero importante antes de formar hielo. Esperamos que nuestro proyecto de colaboración único ayude de alguna manera a todos a comprender los cambios dramáticos que están ocurriendo en todo nuestro planeta".
Dr. Anton Tamtögl, autor principal y correspondiente, de la Universidad Tecnológica de Graz, añade:"Las observaciones alteran por completo nuestra comprensión de la nucleación del hielo. Los resultados de HeSE parecían muy prometedores, pero el movimiento del agua era increíblemente complicado y sugería una nueva física contraria a la intuición. Decidimos que se necesitaban simulaciones atomísticas para interpretar los resultados ".
Los resultados del estudio de Anton Tamtögl et al conducen a una comprensión completamente nueva de la formación de hielo:las moléculas de agua requieren energía adicional antes de congelarse en hielo. Crédito:© Lunghammer - TU Graz
Dr. Andrew Jardine, Lector de Física Experimental de la Universidad de Cambridge, uno de los desarrolladores del método HeSE, dijo:"La técnica está revolucionando por completo nuestra capacidad para seguir los procesos físicos y químicos a nivel de una sola molécula".
Dr. Bill Allison, también de la Universidad de Cambridge, dijo:"La repulsión entre las moléculas de agua simplemente no se ha considerado durante la nucleación del hielo; este trabajo cambiará todo eso. Las interacciones recientemente observadas también cambian la velocidad a la que tiene lugar la nucleación, y por lo tanto en el que se puede formar el hielo. Por tanto, el trabajo tendrá importantes consecuencias en la prevención de la formación de hielo, que es relevante para campos tan diversos como la energía eólica, aviación y telecomunicaciones ".
