¿Por qué el agua se congela a diferentes temperaturas?

Generalmente, se acepta que el punto de congelación del agua es de 0 grados Celsius. Pero eso se debe a la nucleación del hielo: las impurezas del agua cotidiana elevan su punto de congelación a esta temperatura.

“La nucleación del hielo es uno de los fenómenos más comunes en la atmósfera”, afirmó en un comunicado Valeria Molinero, profesora de química física y de materiales en la Universidad de Utah, que ha presentado resultados del nuevo estudio en la reunión de primavera de la American Chemical Society (ACS).

Por otra parte, en las décadas de 1950 y 1960, hubo un interés en la nucleación del hielo para controlar el clima mediante la siembra de nubes y para otros objetivos militares. Algunos estudios abordaron cómo las formas pequeñas promueven la nucleación del hielo, pero la teoría no estaba desarrollada y nadie ha hecho nada cuantitativo.

¿Cuál es el proceso?

Cuando las temperaturas bajan, las moléculas del agua líquida, que normalmente se mueven rápidamente y pasan unas a otras, pierden energía y disminuyen su velocidad. Una vez que pierden suficiente energía, se detienen, se orientan para evitar repulsiones y maximizar las atracciones, y vibran en el lugar, formando la red cristalina de moléculas de agua que llamamos hielo.

Así pues, cuando el agua líquida es completamente pura, es posible que no se forme hielo hasta que la temperatura baje a -46 grados Celsius; al proceso se le llama sobre enfriamiento. Pero cuando incluso las impurezas más pequeñas (hollín, bacterias o incluso proteínas particulares) están presentes en el agua, los cristales de hielo pueden formarse más fácilmente en las superficies, lo que resulta en la formación de hielo a temperaturas superiores a -46 grados Celsius.z

Lo cierto es que, tras décadas de investigación, se reveló la tendencia sobre cómo las formas y estructuras de diferentes superficies terminan afectando el punto de congelación del agua.

Otros detalles de la investigación

Por eso, el equipo de investigación realizó una gran cantidad de mediciones previamente informadas sobre cómo los ángulos entre protuberancias microscópicas en una superficie afectaban la temperatura de congelación del agua. Luego probaron modelos teóricos con los datos. Utilizaron los modelos para considerar factores que fomentarían la formación de cristales de hielo, como la fuerza con la que el agua se une a las superficies y los ángulos entre las características estructurales.

Así las cosas, identificaron una expresión matemática que muestra que ciertos ángulos entre las características de la superficie facilitan que las moléculas de agua se reúnan y cristalicen a temperaturas relativamente más cálidas. Dicen que el modelo puede ayudar a diseñar materiales con superficies que harían que el hielo se forme de manera más eficiente con un mínimo aporte de energía.

Los ejemplos incluyen máquinas de nieve o hielo, o superficies adecuadas para la siembra de nubes, que varios estados occidentales utilizan para aumentar las precipitaciones. También podría ayudar a explicar mejor cómo las pequeñas partículas minerales en la atmósfera ayudan a formar nubes a través de la nucleación del hielo, lo que podría hacer que los modelos climáticos sean más efectivos.

En conclusión, los investigadores esperan estudiar proteínas con estructuras que hayan sido resueltas con herramientas de inteligencia artificial y luego modelarán cómo los agregados de esas proteínas afectan la formación de hielo.