Cristalls de gel

Els cristalls de gel sempre han estat objecte destudi pels científics atesa la seva forma tan peculiar i cridanera. Si els mirem amb un microscopi podem veure que tenen formes geomètriques espectaculars i crida l'atenció del perquè es generen aquestes formes geomètriques a la natura.

En aquest article us explicarem quines són les conclusions de diversos estudis relacionats amb els vidres de gel i què s'ha descobert fins a l'actualitat.

Formació dels vidres de gel

La forma altament simètrica és deguda al creixement de dipòsit, on l'aigua es diposita directament sobre els vidres de gel i s'evapora. Depenent de la temperatura ambient i la humitat, els vidres de gel es poden desenvolupar des dels prismes hexagonals inicials en moltes formes simètriques. Les possibles formes dels vidres de gel són columnars, en forma d´agulla, en forma de placa i dendrítiques. Si el vidre migra a una regió de diferents condicions ambientals, el mode de creixement pot canviar i el vidre final pot mostrar modes mixtos.

Els vidres de gel tendeixen a caure amb els seus eixos llargs alineats horitzontalment i, per tant, són visibles als radars meteorològics polarimètrics amb valors de reflectància diferencial millorats (positius). La càrrega de vidres de gel pot causar alineacions diferents de les horitzontals. El radar meteorològic polaritzat també pot detectar bé els vidres de gel carregats. La temperatura i la humitat determinen moltes formes cristal·lines diferents. Els vidres de gel són responsables de diverses manifestacions òptiques atmosfèriques.

Els núvols congelats estan compostos de vidres de gel, sobretot els cirros i la boira gelada. Els vidres de gel a la troposfera fan que el cel blau es torni lleugerament blanc, cosa que podria ser un senyal que s'acosta un front (i pluja) a mesura que l'aire humit s'enlaira i es congela en vidres de gel.

A temperatura i pressió normals, les molècules d'aigua tenen forma de V i dos àtoms d'hidrogen estan units a àtoms d'oxigen en un angle de 105°. Els vidres de gel comuns són simètrics i hexagonals

Quan es comprimeix entre dues capes de grafè, es formen vidres de gel quadrats a temperatura ambient. El material és una nova fase de vidre de gel que es combina amb 17 gels més. La investigació deriva d'un descobriment anterior que el vapor d'aigua i l'aigua líquida poden travessar làmines d'òxid de grafè laminat, a diferència de les molècules més petites com l'heli. Es creu que aquest efecte és impulsat per les forces de van der Waals, que poden implicar pressions superiors a les 10.000 atmosferes.

Estudis sobre els vidres de gel

Simulacions realitzades al superordinador MareNostrum de Barcelona per investigadors del CSIC i la Universitat Complutense de Madrid han comprovat que la clau de l'estrany creixement dels vidres de gel està en la seva estructura superficial

Les superfícies de gel poden estar en tres estats diferents, amb diversos graus de desordre. Els passatges d'un a l'altre creen canvis abruptes a les taxes de creixement a mesura que augmenten les temperatures i expliquen les diferents formes (aixafades, hexagonals o ambdues) dels vidres de gel o neu a l'atmosfera.

La clau per a aquests canvis i creixement de vidres específics és la seva estructura superficial. Un estudi realitzat pels investigadors Luis González MacDowell de la Universitat Complutense de Madrid (UCM), Eva Noya de l'Institut de Química Física Rocca Solano (IQFR) de l'Alt Comissionat d'Investigacions Científiques i Pablo Llombart de totes dues institucions així ho demostra una mica. . L'article va ser publicat a la revista Science Advances.

"La raó d'aquest canvi ha estat un misteri fins ara", diu González MacDowell, recordant que l'investigador japonès Ukichiro Nakaya va descobrir a la dècada de 1930 els vidres de gel més petits, anomenats pols de diamant, amb forma de prisma hexagonal. Aquests prismes poden ser plans, com una pastilla, o allargats, com un llapis o un prisma hexagonal, i es poden transformar d'una manera a una altra a una temperatura específica.

Simulacions

Els investigadors van observar que a baixes temperatures, la superfície del gel era uniforme i relativament ordenada. Quan les molècules de vapor xoquen amb la superfície, no poden trobar un lloc per precipitar-se i evaporar-se ràpidament, cosa que fa que el creixement dels vidres sigui molt lent.

Però a temperatures més altes, la superfície del gel es torna més desordenada, amb molts esglaons. Les molècules de vapor poden trobar fàcilment el seu lloc als graons i els vidres creixen ràpidament.

«Observem que aquest canvi no va ser gradual, sinó que va passar a causa d'una transició molt específica anomenada transició topològica. Però el que va fer que el gel fos encara més inusual va ser que de cop i volta, quan la capa exterior del vidre es va fondre, la superfície és més suau i més desordenat de nou», va assenyalar Noah.

Quan torna a ser molt suau, el creixement del vidre es torna molt lent en aquest costat del vidre, però no a l'altra banda. De sobte, alguns creixen ràpid, altres creixen lentament i la forma dels vidres canvia, com va observar Nakatani en experiments fa més de 90 anys.

Simulació a MareNostrum

Atès que el gel és una substància complexa que requereix ser estudiada mitjançant tècniques experimentals a causa de la seva ràpida evaporació, s'han fet simulacions durant vuit mesos a l'ordinador més gran d'Espanya, MareNostrum (BSC-CNS).

“El treball computacional ens ha permès determinar la ruta de cada molècula d‟aigua que forma el vidre; però, per descomptat, per formar un vidre petit, necessitem centenars de milers de molècules, per la qual cosa la quantitat de computació requerida per fer aquest estudi és enorme. «, diu Llombart Say.

González MacDowell va concloure que aquests resultats són «molt interessants, però la investigació científica sempre necessita confirmar-se per nous càlculs i validacions. Tot i aquesta cautela, ens complau que els nostres esforços hagin donat els seus fruits en forma de resultats interessants, perquè va costar molts intents fallits d'aconseguir finançament».

A més, el químic recorda que els vidres de neu atmosfèrics tenen un paper important en l'escalfament global: “Per entendre l'impacte en el canvi climàtic, cal entendre la seva forma i taxa de creixement. Per tant, la nostra millor comprensió ens permet posar una altra peça al trencaclosques multimilionari».

Espero que amb aquesta informació pugueu conèixer més sobre els vidres de gel i les seves característiques.