El hielo de tu congelador es notablemente diferente de los cristales individuales que se forman en las nubes de nieve, o incluso de aquellos que se forman en un estanque congelado. A medida que desciende la temperatura, los cristales de hielo pueden crecer en una variedad de formas: desde prismas hexagonales robustos hasta placas planas, e incluso columnas griegas.
El porqué de esta transformación estructural, sin embargo, es un misterio. Cuando se observó por primera vez, los investigadores pensaron que debía estar relacionado con una hipótesis propuesta por el famoso físico Michael Faraday: que el hielo por debajo de su punto de fusión posee una capa microscópicamente delgada de agua líquida en su superficie.
Esta “película de pre-fusión” de hielo, no obstante, ha sido objeto de un importante debate científico. Durante años, los investigadores han proporcionado evidencia contradictoria sobre su grosor y si siquiera existe.
En The Journal of Chemical Physics, publicado por AIP Publishing, Luis MacDowell de la Universidad Complutense de Madrid, buscó resolver esta controversia.
MacDowell se centró en el diagrama de fases del hielo, una representación de cómo coexisten el hielo, el agua líquida y el vapor a diferentes temperaturas y presiones. En este diagrama, existe un punto minúsculo, llamado el punto triple, donde las tres fases son igualmente estables y coexisten en perfecto equilibrio.
Utilizando simulaciones por ordenador, MacDowell visualizó los movimientos de las moléculas en la superficie del hielo. En el punto triple, apareció una película de nanómetros de grosor. Sin embargo, muchos experimentos reportaron una película mucho más gruesa. MacDowell propuso que gran parte del desacuerdo sobre la capa delgada de agua se debe a experimentos que, involuntariamente, se realizan ligeramente fuera del equilibrio.
“El equilibrio es un punto”, afirmó. “Estás lo más cerca posible, pero nunca justo ahí. Una pequeña desviación puede ser suficiente para salir del equilibrio, lo que dificulta enormemente la medición de estas cosas.”
La película líquida se limita a un grosor restringido cerca de este punto de equilibrio debido a las inusuales propiedades de densidad del agua, donde el hielo sólido es un estado energéticamente más preferible que el agua líquida.
Combinando teorías de diversas disciplinas de la física, MacDowell explicó las observaciones de gotas de líquido condensándose sobre la película, presentando un humedecimiento parcial, y teorizó sobre por qué los cristales de hielo crecen de la manera extraña que lo hacen.
“Esta secuencia de transiciones en la forma de los cristales de nieve está relacionada con los cambios en el grosor de la película de pre-fusión que ocurren en la superficie del hielo”, explicó MacDowell. “Presenta transiciones de fase superficiales y, en cada transición, se produce un cambio repentino en las propiedades y en la velocidad de crecimiento de las caras.”
Debido a que la cara y los lados crecen a ritmos distintos, emergen diferentes formas de cristal. MacDowell espera que sus teorías puedan aplicarse a la física atmosférica y a la ciencia de la fricción, e incluso ayudar a comprender cómo funciona el patinaje sobre hielo.
A pesar de ello, el problema no está completamente resuelto. MacDowell planea investigar cómo la fricción influye en la resbaladicidad del hielo y cómo las impurezas afectan el grosor de la película.
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Article Title
The key physics of ice premelting
Authors
Luis G. MacDowell
Author Affiliations
Universidad Complutense de Madrid
