En la naturaleza, el hielo suele estar rodeado de líquido, por lo que es importante comprender cómo interactúan el hielo y el líquido. Un estudio de la Universidad de Kobe y el Instituto de Ciencia Molecular ahora puede observar directamente por primera vez la forma precisa del hielo en la interfaz entre el hielo y el líquido, utilizando anticongelante y un microscopio refrigerado.
Cuando nos deslizamos sobre el hielo, cuando se forman copos de nieve, cuando lamemos un helado, la superficie del hielo siempre está cubierta de agua líquida, y comprender la interacción entre el agua líquida y el hielo es esencial para comprender todo el fenómeno. Sin embargo, debido a que el hielo y el agua se transforman rápidamente entre sí, se ha vuelto imposible observar directamente la interfaz entre los dos.
Para comprender cómo interactúa el hielo con el líquido que lo rodea, los investigadores dirigidos por Onishi Hiroshi de la Universidad de Kobe decidieron probar la siguiente mejor opción. Él dice: “Propusimos la idea de enfriar el hielo sumergido en anticongelante por debajo de 0 °C. De esta manera, el hielo no se derrite y la interfaz no se mueve, y debería ser posible realizar observaciones precisas”. Aun así, los investigadores tuvieron dificultades para obtener buenas mediciones del hielo. “A través de un proceso de varias pruebas y errores, nos dimos cuenta de que teníamos que enfriar todo el sistema del microscopio en una caja de enfriamiento, y se necesitaba algo de ingenio para garantizar que el microscopio de fuerza atómica, al realizar una medición precisa, el dispositivo pudiera funcionar de manera estable a sub -temperaturas cero”, explica el investigador de la Universidad de Kobe.
I Revista de física química, el grupo ahora ha publicado sus hallazgos. Descubrieron que, mientras que el llamado “pilar de escarcha” sin propiedades líquidas que rodea el hielo tiene una altura de unos 20 nanómetros, el hielo del anticongelante es perfectamente plano y, en ocasiones, sólo tiene una capa molecular de altura. “Creemos que la superficie plana se forma mediante la disolución parcial y la recristalización de la superficie del hielo en el líquido de 1-octanol (anticongelante)”, escriben los investigadores en el artículo.
Onishi y su equipo también probaron diferentes líquidos, todos alcoholes como el 1-octanol. Y aunque todos los líquidos que probaron tenían propiedades similares, observaron que la superficie del hielo tenía un aspecto diferente en cada caso, lo que subraya la importancia de medir directamente la interfaz. Además, investigaron la “dureza” de la superficie del hielo bajo 1-octanol y descubrieron que el hielo es mucho más duro de lo que se había estimado anteriormente utilizando métodos menos directos.
Los investigadores esperan que sus hallazgos inviten a seguir estudiando la interfaz hielo-líquido, pero también fijaron objetivos claros para su trabajo futuro: “Esperamos aumentar la resolución del microscopio a moléculas individuales de agua. Se ampliará y se utilizarán otros métodos de medición. De esta manera, esperamos ampliar la gama de aplicaciones potenciales de las mediciones a nivel molecular de las interfaces del anticongelante del hielo”.
Esta investigación fue financiada por el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología de Japón (subvenciones JPMXP1222MS0008 y JPMXP1223MS0001) y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (subvenciones 21K18935 y 23H05448). Esto se hizo en colaboración con investigadores del Instituto de Ciencias Moleculares del Instituto Nacional de Ciencias Naturales.
