Qué es la prefusión y por qué explica que el hielo puede derretirse por debajo del punto de congelación

La prefusión del hielo, una capa cuasi líquida en la superficie por debajo de la temperatura de derretimiento, fue postulada por primera vez por el científico inglés Michael Faraday hace 160 años. Desde entonces, ha sido ampliamente estudiado teórica y experimentalmente mediante muchas técnicas. Sin embargo, no se habían alcanzado certezas prácticas.

Ahora, una investigación reveló que incluso muy por debajo del punto de congelación, el hielo puede moverse de maneras apenas perceptibles. Utilizando herramientas de imágenes en el Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EEUU, los investigadores han detectado el fenómeno de prefusión a temperaturas mucho más bajas que las observadas anteriormente.

Sus hallazgos fueron publicados 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. 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 -129 °C. 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. Esta técnica 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, se pueden cambiar o destruir. Obtener imágenes del hielo es muy difícil porque es muy inestable bajo el haz de electrones de alta energía. Si demostramos con éxito esta técnica en hielo, obtener imágenes de otros materiales sensibles a los rayos será pan comido”, señaló Jianguo Wen en un comunicado de prensa emitido por el Laboratorio Nacional Argonne.

Como algunos materiales son sensibles a los rayos, pueden modificarse o destruirse. Un ejemplo de material sensible al haz de electrones son los electrolitos, que intercambian partículas cargadas en las baterías. Ser capaz de estudiarlos con gran 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. 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, infligiendo así menos daño al objetivo que un enfoque 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 100 °C.

Estudios anteriores habían observado una prefusión cerca del punto triple del agua, cuando la temperatura está apenas 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. Los científicos han demostrado en este estudio que la fusión previa puede ocurrir en zonas muy bajas de la curva, aunque no puedan aún explicar por qué.

En un vídeo capturado durante el experimento, dos nanocristales separados se disuelven entre sí mientras el hielo se calienta bajo presión constante a 150 grados Kelvin, o menos 88 °C. 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 pasa directamente del hielo al vapor.

*Jianguo Wen es autor correspondiente de la investigación y científico de materiales en el Centro de Materiales a Nanoescala, del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EEUU.

* La información contenida en este artículo periodístico se desprende de la investigación denominada “Prefusión superficial del hielo muy por debajo del punto triple”, cuyas conclusiones se publicaron en la revista Proceedings of the National Academy of Sciences. Forman parte del equipo de investigación: Yulin Lin, Tao Zhou, Nathan D. Rosenmann, Lei Yu, Thomas E. Gage, Suvo Banik, Arnab Neogi, Henry Chan, Aiwen Lei, Xiao-Min Lin, Martin Holt, Ilke Arslan y Jianguo Wen. Además, se contó con declaraciones divulgadas en un comunicado de prensa emitido por el Laboratorio Nacional Argonne.