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Los investigadores han descubierto un fenómeno conocido como prefusión a temperaturas significativamente más bajas de lo que se pensaba anteriormente, gracias al equipo de imágenes del Laboratorio Nacional Argonne del DOE.
![El agua fría y los cubitos de hielo se derriten bajo el fondo del sol.](https://d1otjdv2bf0507.cloudfront.net/images/news/ImageForNews_40619_17047013695497305.jpg)
Fuente de la imagen: Michele Ursi/Shutterstock.com
Incluso en un día frío y despejado, una porción de hielo puede volverse resbaladiza debido al derretimiento previo. Como sugirió por primera vez Michael Faraday a mediados del siglo XIX, hay algo de humedad cerca de la superficie incluso cuando el área está congelada.
El concepto de una capa prefundida sobre hielo plantea otras preguntas de larga data sobre las fases de transformación del agua, incluido cómo a veces puede pasar por las tres fases simultáneamente y cómo pasa de líquido a sólido y luego a vapor.
Los investigadores examinaron recientemente cristales de hielo que crecieron a temperaturas inferiores a 200 grados Fahrenheit. El grupo creció y observó los nanocristales de hielo, de apenas diezmillonésimas de metro de ancho, en el Centro de Materiales a Nanoescala (CNM) de Argonne, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.
Además de revelar la composición del agua a temperaturas bajo cero, el estudio también ofrece una forma de examinar materiales sensibles en detalle molecular: microscopía electrónica de transmisión (TEM) de alta resolución y baja dosis. Una corriente de electrones, que son partículas subatómicas, se dirige a un objeto mediante TEM. Un detector crea la imagen detectando cómo se dispersan los electrones de un objeto.
Algunos materiales son sensibles a la radiación. Si los visualiza con un haz de electrones, pueden modificarse o destruirse.
Jianguo Wen, investigador principal y científico de materiales, Laboratorio Nacional Argonne
Los electrolitos son un material sensible a los haces de electrones; Se utilizan en baterías para intercambiar partículas cargadas. Se podrían desarrollar mejores baterías estudiándolas con gran detalle sin afectar su estructura.
Sin embargo, los investigadores primero probaron el método TEM de dosis baja en agua congelada. Después de todo, el agua es barata y abundante.
Wen añadió: “Obtener imágenes del hielo es muy difícil porque es muy inestable bajo el haz de electrones de alta energía. Si demostramos con éxito esta técnica en hielo, obtener imágenes de otros materiales sensibles a los rayos será muy sencillo..”
El método de dosis baja combina una cámara especial para la detección directa de electrones con el TEM del CNM con corrección de aberraciones. Debido a la notable eficiencia del sistema a la hora de extraer información de cada electrón que choca con una muestra, se podría obtener una imagen de alta resolución con menos electrones, causando menos daño al objetivo que el que se requeriría con un método TEM tradicional.
Debido a la baja exposición a los electrones, es posible obtener imágenes de algo tan pequeño como un cristal de hielo in situ o en su hábitat natural. El equipo de estudio hizo crecer los cristales de hielo en nanotubos de carbono a 130 grados Kelvin, o menos 226 grados Fahrenheit, utilizando nitrógeno líquido.
Investigaciones anteriores han encontrado que el agua se funde previamente cerca del punto triple. El punto triple es el lugar donde pueden existir vapor de agua, líquido y hielo al mismo tiempo porque la temperatura está justo por encima del punto de congelación y la presión es lo suficientemente baja. A presiones y temperaturas por debajo del punto triple, el hielo se sublima directamente hasta convertirse en vapor de agua.
Las “reglas” que gobiernan el comportamiento del agua a veces se resumen sucintamente en un diagrama de fases que ilustra los numerosos estados del agua bajo diferentes combinaciones de presión y temperatura.
Pero el mundo real es mucho más complejo que este simple diagrama de fases. Hemos demostrado que la prefusión puede ocurrir muy abajo en la curva, aunque no podemos explicar por qué..
Tao Zhou, autor correspondiente del estudio y científico de materiales, Laboratorio Nacional Argonne
En un vídeo experimental, se observó que dos nanocristales diferentes se fusionaban cuando el hielo se calentaba bajo presión constante a 150 grados Kelvin, o menos 190 grados Fahrenheit. Se formó una capa de hielo casi líquida, aunque todavía estaba muy por debajo del punto de congelación. Esta agua ultraviscosa no encaja en ninguna de las líneas base del diagrama de fases que muestra el cambio directo del agua de hielo a vapor.
El estudio plantea cuestiones interesantes que podrían investigarse con más estudios. ¿Qué es exactamente la capa líquida que observaron los investigadores? ¿Qué pasaría si aumentaran la temperatura y la presión al mismo tiempo?
¿Podría este método abrir la puerta a una posible visión de la “tierra de nadie”, el lugar donde el agua extremadamente fría de repente se convierte en cristales de hielo? Las diversas condiciones del agua han sido objeto de investigación científica durante siglos.
La Oficina de Ciencias Energéticas Básicas del DOE financió el estudio, que luego se publicó en la revista procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias (PNAS). Lei Yu, Thomas Gage, Suvo Banik, Arnab Neogi, Henry Chan, Xiao-Min Lin, Martin Holt e Ilke Arslan de Argonne; Yulin Lin y Aiwen Lei de la Universidad de Wuhan; y Nathan Rosenmann de la Universidad de Illinois en Chicago son coautores con Wen y Zhou.
Referencia de la revista:
Lin, Y., et. Alabama. (2023) Prefusión superficial del hielo muy por debajo del punto triple. procedimientos de la Academia Nacional de Ciencias. doi:10.1073/pnas.2304148120
Fuente: https://www.anl.gov/
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