Estudios de modelización muestran que el hielo se forma a partir de núcleos desordenados

El punto de vista convencional de los científicos acerca de la formación del hielo se basa en que ya inicialmente los núcleos a partir de los cuales se empaquetan las moléculas de agua tienen estructura hexagonal, y en que dicha estructura se mantiene durante todo el crecimiento. Sin embargo, un nuevo estudio de modelización molecular propone que los núcleos de hielo nanométricos que actúan de semillas realmente comienzan como una mezcla de capas cúbicas y hexagonales, estructura conocida como “apilamiento desordenado” (Nature 2017, DOI: DOI: 10.1038/nature24279). Con el tiempo, estas estructuras crecen hasta formar núcleos de hielo más voluminosos con la tradicional estructura hexagonal. Esto tiene consecuencias en los modelos meteorológicos que estudian cómo de rápido se forma el hielo en las nubes.

“La formación de los núcleos, según la teoría clásica, asume que el núcleo tiene la misma forma que la fase macroscópica” explica Valeria Molinero, la profesora de química de la Universidad de Utah (Utah, EEUU) que lideró el estudio. Sin embargo, el grupo de Molinero ha encontrado que el apilamiento desordenado de estos núcleos de hielo está favorecido entrópicamente respecto a la forma hexagonal. En sus propias palabras “lo que decimos es que el hielo cúbico es menos estable que el hielo hexagonal, pero que la mezcla de los dos favorece el hielo cúbico”.

Los investigadores ya habían observado antes de forma experimental estos núcleos con apilamiento desordenado, según Tianshu-Li, profesor asociado en el departamento de ingeniería de obras públicas y medio ambiente de la Universidad George Washington (Washington D.C., EEUU), quien también estudia la nucleación del hielo. Sin embargo, asumían su formación debido a efectos cinéticos, y no los consideraron termodinámicamente estables. “Este descubrimiento permanecía confuso”, añade, pero los nuevos modelos “muestran ahora que el comportamiento observado es en realidad el resultado natural de un control termodinámico antes que cinético.

Las nuevas simulaciones demuestran que las velocidades de nucleación del hielo a partir de un apilamiento desordenado son, al menos, tres órdenes de magnitud más rápidas que las predichas por la teoría de la nucleación clásica, y que el efecto depende del tamaño y de la temperatura. La teoría clásica precisa la incorporación de esta dependencia frente a tamaño y temperatura, por lo que las extrapolaciones hechas a partir de experimentos en laboratorio podrán predecir con exactitud las condiciones en las nubes, afirma Molinero.

Según Molinero, este nuevo punto de partida tendrá un efecto importante en los modelos de las nubes, especialmente en áreas alejadas, sin aerosoles que ayuden al crecimiento de núcleos de hielo. Aunque la cantidad de radiación que las nubes absorben depende en gran medida de cuánto hielo contienen, también advierte que estos nuevos descubrimientos puede que no lleguen a tener un gran impacto en los modelos climáticos.

Traducción al español producida por Esteban Urriolabeitia de Divulgame.org para C&EN. La versión original (en inglés) del artículo está disponible aquí.