El “frío como el hielo” se volvió aún más frío: al crear hielo a partir de pequeñas gotas de solo unos pocos cientos de moléculas de tamaño, los investigadores han empujado el punto de congelación del agua más bajo que nunca y han cambiado lo que sabemos sobre cómo se forma el hielo. Saber cómo y por qué el agua se transforma en hielo es fundamental para comprender una amplia gama de procesos naturales. Las fluctuaciones climáticas, la dinámica de las nubes y el ciclo del agua están influenciados por las transformaciones de agua y hielo, al igual que los animales que viven en condiciones de congelación.
Las ranas de madera, por ejemplo, sobreviven al invierno en tierra permitiendo que sus cuerpos se congelen. Esto les permite salir de la hibernación más rápido que las especies que pasan el invierno bajo el agua sin congelarse. Pero los cristales de hielo pueden romper las membranas celulares, por lo que los animales que utilizan esta técnica deben encontrar una manera de evitar que se forme hielo en sus células y tejidos. Una mejor comprensión de cómo se congela el agua podría conducir a una mejor comprensión de estas especies extremas.
Si bien la regla general es que el agua se congela a 0°C, el agua en realidad puede permanecer líquida en un rango de temperaturas frías bajo ciertas condiciones. Hasta ahora, se creía que este rango se detenía a menos -38 ° C, un valor más bajo que eso, y el agua debía congelarse. Pero en un estudio publicado el 30 de noviembre en la revista Nature Communications, los investigadores lograron mantener las gotas de agua en estado líquido a temperaturas tan bajas como -44 ° C.
Había dos claves para su avance: gotas muy pequeñas y una superficie muy suave. Comenzaron con gotas que iban desde 150 nanómetros, apenas más grandes que una partícula del virus de la influenza, hasta tan pequeñas como 2 nanómetros, un grupo de solo 275 moléculas de agua. Este rango de tamaños de gotas ayudó a los investigadores a descubrir el papel del tamaño en la transformación del agua en hielo.
“Cubrimos todos estos rangos para que podamos entender en qué condición se formará el hielo, qué temperatura, qué tamaño de las gotas”, dijo a Live Science el coautor del estudio, Hadi Ghasemi, profesor de ingeniería mecánica en la Universidad de Houston.. “Y lo que es más importante, descubrimos que si las gotas de agua están cubiertas con algunos materiales blandos, la temperatura de congelación puede reducirse a una temperatura realmente baja”.
El material blando que utilizaron fue el octano, un aceite que rodeaba cada gota dentro de los poros a nanoescala de una membrana de óxido de aluminio anodizado. Eso permitió que las gotas tomaran una forma más redondeada con mayor presión, lo que, según los investigadores, es esencial para prevenir la formación de hielo a estas bajas temperaturas.
Debido a que es básicamente imposible observar el proceso de congelación a estas pequeñas escalas, los investigadores utilizaron medidas de conductancia eléctrica, ya que el hielo es más conductor que el agua, y la luz emitida en el espectro infrarrojo para captar el momento y la temperatura exactos en los que las gotas se transformaron de agua a hielo. Descubrieron que cuanto más pequeña era la gota, más fría tenía que estar para que se formara hielo, y para las gotas de 10 nanómetros o más pequeñas, la tasa de formación de hielo se redujo drásticamente. En las gotitas más pequeñas que midieron, el hielo no se formó hasta que el agua alcanzó una temperatura de -44°C.
¿Significa esto que las gotitas microscópicas dentro de las nubes y las células biológicas pueden enfriarse aún más de lo que pensábamos? “Como científico, diría que aún no lo sabemos”, dijo Ghasemi.
Pero este descubrimiento podría significar grandes cosas para la prevención del hielo en materiales artificiales, como los de los sistemas de aviación y energía, dijo Ghasemi. Si el agua sobre superficies blandas tarda más en congelarse, los ingenieros podrían incorporar una mezcla de materiales blandos y duros en sus diseños para evitar que el hielo se acumule en esas superficies.
“Hay muchas formas en que se puede utilizar este conocimiento para diseñar las superficies para evitar la formación de hielo”, dijo Ghasemi. “Una vez que tengamos esta comprensión fundamental, el siguiente paso es solo la ingeniería de estas superficies basada en los materiales blandos”.
Fuente: Live Science.
