Pensándolo bien...
El conocimiento básico del agua nos dice que está compuesta de hidrógeno y oxígeno, con dos átomos del primero por uno del segundo. Es líquida entre 0 ºC y 100 ºC. Por debajo de la primera temperatura es sólida y por encima de la segunda es gas. Todo el mundo ha disfrutado de todos sus estados de agregación cotidianamente: en estado sólido en el hielo en las bebidas, los cubitos en los congeladores; la nieve y el hielo en invierno en carreteras o en los deportes; en helados diversos. En estado líquido como el agua potable de los grifos; el agua en ríos, lagos y océanos; el agua utilizada para cocinar y limpiar; la propia lluvia. En estado gaseoso, como vapor que sale de las ollas al cocinar; la humedad en el aire, que es vapor de agua; el vapor en las duchas calientes o el vapor de las planchas para la ropa. El agua en sus tres estados es una parte integral de la vida cotidiana de las personas en todo el mundo.
Hay más. Durante mucho tiempo se ha creído que los cristales de nieve eran de dos tipos predominantes. Una estrella plana, con seis o 12 puntos, cada una decorada de forma ramificada. La otra es en forma de columna, similar a un perno de ferretería. Cada una de ellas se forma a diferentes temperaturas y humedades. La causa de estas formaciones sigue siendo un misterio. Recientemente, una publicación de Libbrecht propone la relación de la forma y unos movimientos de las moléculas de agua cuando se encuentran cerca del punto de congelación y comienzan a formarse los cristales. La nieve es un conjunto de cristales de hielo que se forman en la atmósfera cuando la temperatura es suficientemente fría como para que no se fusionen o derritan o combinen aquéllos. En una nube, donde se forman los copos, hay muchas zonas con diferente temperatura, pero se mantienen constantes en cada zona. Vientos distintos y cambiantes, irradiación solar diferente, etc, confieren unas características propias de cada zona. El resultado es la formación de unos copos con personalidad de la zona de donde procede. No obstante, cada copo que se forma es ligeramente diferente de los demás. En realidad, todas las variables de una zona, confieren un grado de caos en la nube.
La reflexión sobre el tema no es nueva. Se refiere una cita del erudito Han Yin en China 135 a.C sobre la cuestión. Las flores de plantas y árboles tienen, generalmente, cinco puntas. Las de nieve, tienen seis. Kepler se ocupó también del tema y en 1611 escribió un ensayo sobre “El copo de nieve de seis puntas”. Reparó en ello al caerle un copo en la solapa al cruzar el puente de Carlos de Praga. Pensó que no podía ser casualidad la forma de los copos. Harriot, científico y astrónomo inglés, en 1584, apiló las balas de cañón esféricas del barco del explorador Raileigh, dibujando patrones hexagonales. Kepler asimiló a esta forma en los copos de nieve, traduciendo la posibilidad de que fuera una unidad natural operativa en un líquido como el agua. Anticipó en varios siglos la forma de bloquearse las moléculas de agua formando matrices hexagonales. La disposición viene condicionada por los átomos constituyentes, las distancias y ángulos de enlace de sus átomos, al formar la molécula de agua.
Esta disposición hexagonal hace que, al formarse la nieve, sea menos densa que la forma líquida del agua. Aunque parezca un detalle sin mucha importancia, hay que saber que, de no ser así, no habría vida en la Tierra. La incógnita se ha mantenido mucho tiempo. En 1930, el investigador japonés, Nakaya, se dedicó a construir copos de nieve y varió la humedad y la temperatura e hizo crecer dos tipos de copos y obtuvo un catálogo de formas. Se forman estrellas entre -2ºC y -15ºC. Las columnas se forman entre -5ºC y -30ºC. Con baja humedad las estrellas forman pocas ramas y parecen placas hexagonales. Con alta humedad los diseños de las estrellas se entrecruzan. La cuestión es cómo esta temperatura y humedad cambian el proceso que dicta como son las formas que se generan. Los estudios de Libbrecht llevaron a considerar la difusión molecular impulsada por la energía superficial que describen cómo un cristal de nieve depende de las condiciones iniciales y se modula por el comportamiento e las moléculas que la forman.
Imagen creada con ayuda de ChatGPT con DALL-E
En el punto de partida, cuando el agua comienza a congelarse, tenemos agua líquida y vapor. Las moléculas de agua helada van formando una red rígida en la que cada átomo de oxígeno está rodeado por cuatro átomos de hidrógeno. Este patrón se traslada a las moléculas de agua del aire próximas. El crecimiento se da hacia afuera, extendiendo la superficie y hacia arriba. Adoptará forma de placa o estrella, cuando los bordes incorporan material más rápidamente que las dos caras del cristal. Así se extenderá hacia afuera. Cuando las caras crecen más rápido que los bordes, se formarán agujas, columnas o varillas.
Libbrecht propone en su modelo que el vapor de agua se deposita primero en las esquinas del cristal en la superficie, hacia el borde o hacia las caras del cristal. Las fuerzas superficiales o las inestabilidades, que tienen que ver con la temperatura, dictan el proceso prevalente. Un proceso resulta ser determinante: la prefusión. El hielo se encuentra cerca del punto de fusión, de forma que las capas superiores tienen el aspecto del agua líquida y la distribución es desordenada. En los bordes la situación es diferente. La prefusión ocurrirá de forma diferente en las caras y en los bordes. Faltan detalles para comprender completamente la física del proceso. La dinámica del proceso de crecimiento del hielo permanece en estudio. Las inestabilidades y las interacciones entre las moléculas constituyen un sistema muy complejo.
Por otro lado, los misterios no dejan de darse en otras partes, el hielo ártico, el océano y la luz, es un sistema sumamente intrigante. Las formas en las que puede existir son intrigantes. La disposición hexagonal de las moléculas de agua es la forma estándar de darse en las acumulaciones de agua y en el cielo, pero hay otras formas que se dan en condiciones particulares. Se han contabilizado hasta 19 formas distintas.
Muy recientemente, en 2019, se detectó el Hielo XVIII, actuando con un láser de alta intensidad sobre las moléculas de agua. Es una forma muy extravagante. Los átomos de oxígeno forman una red cúbica en la que fluyen los átonos de hidrógeno cargados positivamente, como si se tratara de elect5rones en un material de cobre. Requiere presiones muy elevadas como para que exista hielo metálico. Puede darse en planetas helados como Neptuno o Urano, por ejemplo. Puede ser la forma más corriente del agua en el Universo.
La física de estos procesos guarda sorpresas. En la década de los 60 del siglo pasado, el estudiante tanzano Mpemba, hizo notar que la leche caliente producía helados de forma más rápida que cuando la leche era fresca. Se trata de que el agua caliente se congela más rápido que el agua fría. Se ha confirmado. Las partículas muy energéticas encuentran atajos para llegar a estados de baja energía, dado que su propia energía les ayuda a encontrar las opciones que las partículas más frías que son más lentas.
Que el hielo se derrite es un hecho observado. A medida que se calienta el hielo absorbe el calor y se derrite, con lo que absorbe más calor y se derrite más. El grosor del hielo, las fisuras que se forman y resquebrajan. Cómo ocurre que una molécula parte de una disolución y se integra en un cristal, no está nada claro. Es una incógnita lo que impulsa a una molécula a hacer esto. Los modelos que han abordado estos estudios son semiempíricos, por tanto, regidos por los resultados contrastados. No disponemos de un estudio ab initio realizado en el marco de la Química Cuántica en el que desde el detalle de los átomos que constituyen las moléculas, se aborde el estudio de la dinámica del proceso de congelación. La capacidad de cálculo precisa supera las actuales prestaciones de los ordenadores convencionales. Confiemos en que la Computación cuántica permita acceder para desentrañar los misterios todavía sin explicar.
Sopa de letras: MISTERIOS DEL HIELO
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