No hay duda de que el agua es la sustancia más extraña y fascinante del universo conocido. A diferencia de casi cualquier otro material, se expande en lugar de encogerse cuando se congela, lo que permite que el hielo flote sobre el refresco en lugar de hacerlo sobre él. … hundirse hasta el fondo. Es un disolvente universal, la cuna de la vida, pero aún esconde secretos que han desconcertado a los físicos durante siglos. Pero si el agua líquida es compleja, su “hermano” sólido, el hielo, es una auténtica pesadilla termodinámica.
Piense en los cubos de su refrigerador. Es hielo, claro, pero su estructura no se parece en nada a los cristales individuales que se forman en las nubes de nieve o a la capa helada que cubre los estanques en invierno. Y, a medida que bajan las temperaturas, los cristales de hielo actúan como una montaña rusa estructural: pueden crecer hasta adquirir formas de prismas hexagonales sólidos, convertirse en láminas planas o incluso alzarse como hermosas columnas griegas.
¿Por qué sucede esto? ¿Qué hace que un copo de nieve sea una estrella perfecta y otro una columna? Este comportamiento ha sido durante mucho tiempo un misterio absoluto para los científicos que intentan comprenderlo.
Cuando los primeros investigadores observaron este fenómeno, inmediatamente pensaron en una antigua hipótesis propuesta en el siglo XIX por Michael Faraday, uno de los padres de la física moderna. El hielo, incluso por debajo de su punto de fusión, siempre tiene una capa microscópicamente fina de agua líquida en su superficie. Una “piel” húmeda invisible.
dos siglos de debate
Esta llamada “película prefundida” podría explicar muchas cosas, incluido por qué el hielo es resbaladizo (raramente, ya que no solemos resbalar sobre granito o acero). Sin embargo, la naturaleza de esta capa, e incluso su existencia misma, ha sido objeto de una feroz y prolongada controversia científica.
De hecho, durante décadas, los laboratorios de todo el mundo han producido resultados contradictorios. Algunos experimentos sugieren que la capa líquida existe y es muy espesa; otros piensan que es demasiado bueno para ser verdad. ¿Pero cuál es la realidad? La física parece estar en un punto muerto, al menos en esta cuestión. hasta ahora.
Una posible solución a este misterio proviene del científico español Luis McDowell, investigador de la Universidad Complutense, quien parece haber encontrado la clave para conciliar todas estas contradicciones, poniendo así fin al debate. Sus resultados acaban de publicarse en el Journal of Chemical Physics.
El punto donde todo coincide
Para desentrañar esta pregunta realmente peliaguda, McDowell decidió no mirar directamente al hielo en sí, sino centrarse en su diagrama de fases, la “imagen” que utilizan los físicos para comprender cómo coexisten el hielo, el agua líquida y el vapor dependiendo de la temperatura y la presión. Resulta que hay un lugar “mágico” en ese mapa, un pequeño lugar llamado “Punto de la Triple Fase” donde las tres fases conviven en igual estabilidad y perfecto equilibrio. Es un límite delicado y el agua no “sabe” del todo si actuar como gas, líquido o sólido.
Utilizando simulaciones informáticas avanzadas, investigadores españoles han visualizado con éxito el movimiento de las moléculas en la superficie del hielo. Observó que justo en el punto triple apareció una película, aunque muy delgada, de sólo nanómetros de espesor. Eso es una milmillonésima parte de un metro.
Es en ese momento invisible cuando surge la cuestión de la historia. De hecho, si las simulaciones muestran una capa de líquido casi imperceptible, ¿por qué muchos experimentos de física reales informan películas más gruesas que contienen más agua líquida?
trampa de equilibrio
La originalidad del trabajo de McDowell reside precisamente en su explicación de esta diferencia. Los investigadores dicen que la confusión histórica se debe al hecho de que la mayoría de los experimentos se realizaron inadvertidamente y ligeramente desequilibrados.
“El equilibrio es un poco”, dijo McDowell. Puedes acercarte tanto como quieras, pero nunca estarás allí. “Incluso las desviaciones más pequeñas pueden desequilibrarse gravemente, lo que hace muy difícil medir estas cosas”.
Es como intentar mantener en equilibrio una pelota sobre una pirámide. El más mínimo soplo de aire, la más mínima vibración lo sustituirá. Lo mismo sucede en el laboratorio. Incluso ligeramente lejos del punto triple, las condiciones cambian dramáticamente y la capa líquida parece espesarse.
El estudio detalla que debido a las inusuales propiedades de densidad del agua, el espesor de la película líquida cerca del punto de equilibrio es limitado. En estas condiciones específicas, el hielo sólido se encuentra en un estado “energéticamente mejor” que el agua líquida. En otras palabras: la naturaleza hace “esfuerzos” para mantener el agua líquida en una superficie congelada.
Pero este descubrimiento no se limita a la teoría molecular. Por el contrario, combinando teorías de distintas disciplinas físicas, McDowell también logró explicar los fenómenos macroscópicos, es decir, los observados a simple vista. Por ejemplo, pudo ver cómo pequeñas gotas se condensaban sobre la película, provocando una “humectación parcial”.
Aquí volvemos a los copos de nieve y a las columnas griegas, porque es aquí, en esta capa invisible, donde tiene su origen la “montaña rusa” de formas mencionada al principio.
Esta secuencia de transiciones en la forma de los cristales de nieve está relacionada con los cambios en el espesor de la película prefundida que se producen en la superficie del hielo, explicó McDowell. “Exhibe transiciones de fase superficial, y en cada transición, hay cambios repentinos en las propiedades y la tasa de crecimiento de la superficie”.
Para entenderlo mejor, podemos imaginar que están construyendo un edificio hecho de ladrillos (cristales de hielo). Si el “cemento” (capa líquida) cambia repentinamente sus propiedades y se vuelve más resbaladizo o pegajoso en un lado del edificio, esa pared crecerá a un ritmo diferente que las otras paredes. Cuando las caras y los lados del cristal crecen a diferentes ritmos, impulsados por el comportamiento de las microcapas, emergen diferentes geometrías: desde columnares hasta en forma de losa.
¿El fin del misterio?
McDowell espera que su trabajo ahora pueda aplicarse a la física atmosférica (la base para comprender el clima), la ciencia de la fricción y comprender aún mejor la mecánica del patinaje, un deporte que se basa en una rareza física que, sinceramente, todavía no entendemos del todo.
Aun así, como admite el propio McDowell, el problema no está del todo resuelto. Por eso, los investigadores ahora planean estudiar cómo la fricción afecta la suavidad del hielo y, un factor clave en el mundo real, cómo las impurezas afectan el espesor de la película de hielo. Porque en la naturaleza el agua nunca está completamente sola. Esta investigación confirma que Faraday tenía razón, eso es seguro, aunque la realidad es mucho más compleja y matizada de lo que imaginaba.
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