La física está llena de misterios. Para encontrar algunos que valga la pena explorar, no busque más que un cubito de hielo. A temperatura ambiente, por supuesto, el cubo se derretirá ante tus ojos. Pero incluso muy por debajo del punto de congelación, el hielo puede moverse de maneras apenas perceptibles que los científicos todavía están tratando de comprender. Utilizando herramientas de imágenes en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), los investigadores han detectado un fenómeno conocido como prefusión a temperaturas mucho más bajas que las observadas anteriormente.
Sus hallazgos se publican en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. .
El prederretimiento es la razón por la que una porción de hielo puede resultar resbaladiza incluso en un día gélido y despejado. Aunque el lugar está congelado, una parte de la superficie está húmeda, una idea propuesta por primera vez por Michael Faraday a mediados del siglo XIX. La idea de una capa de hielo prefundida, similar a un líquido, abre otras preguntas de larga data sobre cómo el agua se transforma de líquido a sólido y luego a vapor y cómo, bajo ciertas condiciones, puede ser las tres cosas a la vez.
En el estudio reciente, los científicos examinaron los cristales de hielo formados por debajo de -200 grados Fahrenheit. El equipo utilizó el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, para cultivar y observar los nanocristales de hielo, que medían sólo 10 millonésimas de metro de ancho.
Además de lo que el estudio revela sobre la naturaleza del agua a temperaturas bajo cero, demuestra un método para examinar muestras sensibles en detalle molecular:microscopía electrónica de transmisión (TEM) de alta resolución y baja dosis. TEM dirige una corriente de electrones, que son partículas subatómicas, hacia un objeto. Un detector crea una imagen al captar cómo los electrones se dispersan del objeto.
"Algunos materiales son sensibles a los rayos. Cuando se utiliza un haz de electrones para obtener imágenes de ellos, pueden modificarse o destruirse", dijo Jianguo Wen, científico de materiales de Argonne y autor principal del artículo. Un ejemplo de material sensible a los rayos de electrones son los electrolitos, que intercambian partículas cargadas en las baterías". Ser capaz de estudiarlos en detalle sin alterar su estructura podría ayudar en el desarrollo de mejores baterías.
Pero para empezar, los investigadores están experimentando con la técnica TEM de dosis baja en agua congelada. Después de todo, el agua es barata y abundante. Más que eso, dijo Wen, "es muy difícil obtener imágenes del hielo, porque es muy inestable bajo el haz de electrones de alta energía. Si demostramos con éxito esta técnica en el hielo, obtener imágenes de otros materiales sensibles al haz será pan comido. "
La técnica de dosis baja combina el TEM con corrección de aberración del CNM con una cámara especializada de detección directa de electrones. El sistema es extremadamente eficiente a la hora de capturar información de todos y cada uno de los electrones que chocan con una muestra, por lo que es posible obtener una imagen de alta resolución utilizando menos electrones, lo que inflige menos daño al objetivo que un enfoque TEM convencional.
El bajo nivel de exposición a los electrones permite capturar algo tan delicado como un cristal de hielo in situ o en su entorno. El equipo de investigación utilizó nitrógeno líquido para hacer crecer los cristales de hielo en nanotubos de carbono a 130 grados Kelvin, o menos 226 grados Fahrenheit.
Estudios anteriores habían observado una prefusión cerca del punto triple del agua. En el punto triple, la temperatura es apenas un pelo por encima del punto de congelación y la presión es lo suficientemente baja como para que puedan existir hielo, líquido y vapor de agua al mismo tiempo. A temperaturas y presiones inferiores al punto triple, el hielo se sublima directamente formando vapor de agua.
Las "reglas" del comportamiento del agua a menudo se resumen claramente en un diagrama de fases simple que traza los distintos estados del agua en diferentes combinaciones de temperatura y presión.
"Pero el mundo real es mucho más complejo que este simple diagrama de fases", dijo Tao Zhou, científico de materiales de Argonne y otro autor correspondiente del artículo. "Hemos demostrado que la fusión previa puede ocurrir en zonas muy bajas de la curva, aunque no podemos explicar por qué".
En un vídeo capturado durante el experimento, se puede ver dos nanocristales separados disolviéndose entre sí mientras el hielo se calienta bajo presión constante a 150 grados Kelvin, o menos 190 grados Fahrenheit. Aunque todavía estaba muy por debajo del punto de congelación, el hielo formó una capa casi líquida. Esta agua ultraviscosa no se cuenta entre las líneas simples del diagrama de fases, donde el agua pasa directamente del hielo al vapor.
El estudio plantea preguntas intrigantes que podrían explorarse en trabajos futuros. ¿Cuál es la naturaleza exacta de la capa líquida que vieron los investigadores? ¿Qué pasaría si aumentara la presión y la temperatura? ¿Y esta técnica allana el camino hacia una visión de la "tierra de nadie", el estado en el que el agua superenfriada cristaliza repentinamente de líquido a hielo? Continúa la investigación científica de siglos sobre los numerosos estados del agua.
Los coautores con Wen y Zhou son Lei Yu, Thomas Gage, Suvo Banik, Arnab Neogi, Henry Chan, Xiao-Min Lin, Martin Holt e Ilke Arslan de Argonne; Yulin Lin y Aiwen Lei de la Universidad de Wuhan; y Nathan Rosenmann de la Universidad de Illinois en Chicago.
Más información: Yulin Lin et al, Prefusión superficial del hielo muy por debajo del punto triple, Actas de la Academia Nacional de Ciencias (2023). DOI:10.1073/pnas.2304148120
Información de la revista: Actas de la Academia Nacional de Ciencias
Proporcionado por el Laboratorio Nacional Argonne
