Desvelan el origen de las diferentes formas de los cristales de hielo

En la atmósferaEste miércoles, un equipo de investigadores españoles del Instituto de Química Física Rocasolano (IQFR-CSIC), del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC), y la Universidad Complutense de Madrid (UCM), publica un estudio en Science Advances que concluye que la clave del crecimiento peculiar de los cristales de nieve está en la estructura de la superficie.
“La causa de este cambio ha sido un misterio hasta la fecha”, señala Luis González MacDowell, investigador del departamento de Química Física de la UCM y coautor del estudio junto a Investigadora del CSIC Eva Noya, del IQFR-CSIC.

En la década de 1930, el investigador japonés Ukichiro Nakaya descubrió que los cristales de hielo más diminutos, llamados polvo de diamante, tienen la forma de prismas hexagonales y pueden ser chatos como píldoras o alargados como un lápiz, y pueden pasar de una forma a la otra a ciertas temperaturas.

En la atmósfera, estos cristales de nieve juegan un papel importante en el calentamiento global, ya que reflejan parte de la luz solar.

"Para saber cuál es el efecto sobre el cambio climático necesitamos entender qué forma adoptan y la velocidad a la que crecen. Así que la mejora en nuestra comprensión del crecimiento del hielo nos permite colocar una pieza más de un puzzle, que tiene millones", explica.

En el estudio, los investigadores españoles han observado que a baja temperatura la superficie del hielo es lisa o suave y está relativamente ordenada porque las moléculas de vapor, al colisionar con la superficie, no encuentran dónde acomodarse, y se vuelven a evaporar rápidamente, con lo que el crecimiento del cristal es muy lento.

Pero, a mayor temperatura, la superficie del hielo se vuelve más desordenada, con abundantes escalones porque las moléculas de vapor encuentran fácilmente acomodo sobre los peldaños, y el cristal crece rápidamente.

"Hemos observado que este cambio no es gradual, sino que se produce como causa de una transformación muy especial, llamada transición topológica. Pero lo que hace todavía más extraordinario al hielo es que, de repente, al fundirse las capas externas del cristal, su superficie se vuelve más lisa de nuevo, con menos desorden", destaca Eva Noya.

Al hacerse de nuevo muy lisa, el crecimiento cristalino se vuelve muy lento sobre esa cara del cristal, pero no sobre las demás, y de pronto unas crecen rápido y otra crece despacio, y la forma del cristal se transforma, "tal y como observó Nakaya en sus experimentos hace más de 90 años", subraya la científica.

Dado que el hielo es un agente complicado de estudiar con técnicas experimentales debido a su rápida evaporación, el estudio se ha hecho con simulaciones moleculares que se han llevado a cabo en el MareNostrum (BSC-CSIC), el ordenador más grande de España, que ha permitido determinar la trayectoria de cada una de las moléculas de agua que forman el cristal.

Y es que "para formar un pequeño cristal necesitamos centenares de miles de moléculas, y por tanto el número de cálculos necesarios para realizar el estudio es colosal", concluye Pablo Llombart, primer autor del artículo y encargado de las simulaciones.

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