Descifran el proceso molecular que permite que el agua se convierta en hielo sobre superficies sólidas

Durante siglos, la transformación del agua líquida en hielo sobre superficies sólidas ha sido un fenómeno cotidiano pero envuelto en interrogantes a nivel microscópico. Ahora, un equipo internacional de científicos ha logrado observar y describir, con un nivel de detalle sin precedentes, los pasos moleculares que inician la formación del hielo en contacto con un sólido, un proceso vital tanto en la naturaleza como en aplicaciones tecnológicas.

El trabajo, publicado en la revista Journal of Colloid and Interface Science, demuestra que el agua no se congela de manera caótica. Por el contrario, cuando entra en contacto con una superficie, sus moléculas comienzan a organizarse en capas diferenciadas, dando lugar a una estructura ordenada previa al inicio de la cristalización. Esta preorganización resulta fundamental para superar la barrera energética que separa el estado líquido del sólido.

Los investigadores emplearon simulaciones de dinámica molecular para analizar cómo varía este comportamiento según el tipo de superficie y su grado de hidrofilicidad. Descubrieron que la primera y la segunda capa de agua, en contacto directo con el sustrato, desempeñan papeles clave en el arranque de la nucleación del hielo. Una superficie con hidrofilicidad intermedia, ni demasiado repelente ni demasiado atractiva para el agua, favorece la formación de una estructura hexagonal bicapa, característica del hielo en la naturaleza.

Este ordenamiento molecular crea una “plataforma” donde las moléculas de agua adoptan una disposición plana y regular, acercando la estructura local a la del hielo y facilitando la transición. A medida que la hidrofilicidad aumenta, la densidad y la planaridad de estas capas también lo hacen, lo que puede incluso invertir la secuencia de nucleación, provocando que la segunda capa cristalice antes que la primera.

El estudio desvela además que no todas las superficies inducen el mismo tipo de hielo. El ajuste fino de la red superficial puede determinar si se forma hielo hexagonal o cúbico, abriendo posibilidades para manipular el tipo de cristal obtenido. Esta selectividad depende de la coincidencia entre la red del sustrato y la del hielo en formación.

Comprender este proceso a nivel molecular resulta esencial para aplicaciones en ciencia de materiales, criopreservación, aviación, tecnología antihielo y hasta en climatología, ya que la nucleación heterogénea del hielo es un paso fundamental en la formación de nubes y la precipitación.

El artículo propone que este mecanismo de preordenamiento molecular puede extenderse a otros líquidos tetraédricos como el silicio, germanio o la sílice, donde el control de la cristalización es crucial en la industria electrónica y de semiconductores.

Entre las técnicas empleadas para validar los resultados destacan la microscopía de fuerza atómica y la simulación computacional avanzada, lo que permitió visualizar el proceso paso a paso, identificando el momento exacto en que las moléculas de agua comienzan a comportarse como hielo.

Según los autores, dominar el preordenamiento líquido inducido por superficies podría abrir nuevas fronteras en la manipulación de las transiciones de fase, con impacto en la prevención de la formación indeseada de hielo en infraestructuras o la optimización de recubrimientos para la criopreservación.

Este avance representa un salto cualitativo en la comprensión de uno de los procesos más antiguos y universales de la Tierra, aportando un marco mecanístico que permitirá desarrollar nuevos materiales y tecnologías inspirados en la naturaleza.

El estudio, liderado por el Instituto de Ciencias Industriales de la Universidad de Tokio y la Universidad de Bristol, fue financiado por el programa japonés de Ciencia de Protección contra Heladas y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (JSPS).

Fuente: Journal of Colloid and Interface Science