¿Por qué el agua se congela a diferentes temperaturas?

Un nuevo modelo teórico muestra cómo detalles estructurales específicos de las superficies pueden influir en el punto de congelación del agua.

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", afirma 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).

"En las décadas de 1950 y 1960, hubo un gran 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."

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.

Cuando el agua líquida es completamente pura, es posible que no se forme hielo hasta que la temperatura baje a -46 grados Celsius; esto se llama sobreenfriamiento. 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.

Décadas de investigación han revelado tendencias sobre cómo las formas y estructuras de diferentes superficies afectan el punto de congelación del agua. En un estudio anterior sobre las proteínas que nuclean el hielo dentro de las bacterias, Molinero y su equipo descubrieron que las distancias entre los grupos de proteínas podrían afectar la temperatura a la que se formaba el hielo.

"Había distancias muy favorables para la formación de hielo, y distancias completamente opuestas", afirma Molinero.

Se observaron tendencias similares en otras superficies, pero no se encontró ninguna explicación matemática.

"La gente antes ya tenía la sensación de 'Oh, tal vez una superficie inhibirá o promoverá la nucleación del hielo', pero no hay forma de explicar o predecir lo que observaron experimentalmente", dice Yuqing Qiu, un postdoctorado, que presenta el trabajo en la reunión. Tanto Qiu como Molinero llevaron a cabo esta investigación en la Universidad de Utah, aunque Qiu ahora trabaja en la Universidad de Chicago.

Para abordar esta brecha, Molinero, Qiu y su equipo reunieron cientos 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.

Al final, 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 su 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.

Los investigadores planean utilizar este modelo para volver a sus estudios sobre las proteínas que nuclean el hielo en las bacterias. Se cree que más de 200 proteínas son proteínas que nuclean hielo, pero no se conocen todas sus estructuras. 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.