Cristalli di ghiaccio

I cristalli di ghiaccio Sono sempre stati oggetto di studio da parte degli scienziati data la loro forma particolare e suggestiva. Se li osserviamo al microscopio possiamo vedere che hanno forme geometriche spettacolari ed è sorprendente il motivo per cui queste forme geometriche sono generate in natura.

In questo articolo vi racconteremo quali sono le conclusioni di vari studi relativi ai cristalli di ghiaccio e cosa è stato scoperto fino ad oggi.

formazione di cristalli di ghiaccio

La forma altamente simmetrica è dovuta alla crescita del serbatoio, dove l'acqua si deposita direttamente sui cristalli di ghiaccio ed evapora. A seconda della temperatura e dell'umidità dell'ambiente, i cristalli di ghiaccio possono svilupparsi dai prismi esagonali iniziali in molti modi simmetrici. Le possibili forme dei cristalli di ghiaccio sono colonnari, aghiformi, piastriformi e dendritiche. Se il cristallo migra in una regione con diverse condizioni ambientali, la modalità di crescita potrebbe cambiare e il cristallo finale potrebbe mostrare modalità miste.

I cristalli di ghiaccio tendono a cadere con i loro assi lunghi allineati orizzontalmente, e quindi sono visibili sui radar meteorologici polarimetrici con valori di riflettanza differenziale (positivi) migliorati. Il caricamento di cristalli di ghiaccio può causare allineamenti diversi da quelli orizzontali. Il radar meteorologico polarizzato può anche rilevare bene i cristalli di ghiaccio carichi. La temperatura e l'umidità determinano molte diverse forme cristalline. I cristalli di ghiaccio sono responsabili di diverse manifestazioni ottiche atmosferiche.

Le nuvole ghiacciate sono fatte di cristalli di ghiaccio, in particolare cirri e nebbia gelata. I cristalli di ghiaccio nella troposfera fanno sì che il cielo blu diventi leggermente bianco, il che potrebbe essere un segno di un fronte in avvicinamento (e di pioggia) mentre l'aria umida sale e si congela in cristalli di ghiaccio.

A temperatura e pressione normali, le molecole d'acqua sono a forma di V e due atomi di idrogeno sono legati agli atomi di ossigeno con un angolo di 105°. I cristalli di ghiaccio comuni sono simmetrici ed esagonali

Quando vengono compressi tra due strati di grafene, a temperatura ambiente si formano cristalli di ghiaccio quadrati. Il materiale è una nuova fase di cristalli di ghiaccio che si combina con altri 17 ghiacci. La ricerca fa seguito a una precedente scoperta che il vapore acqueo e l'acqua liquida possono passare attraverso fogli di ossido di grafene laminato, a differenza di molecole più piccole come l'elio. Si pensa che questo effetto sia guidato dalle forze di van der Waals, che possono comportare pressioni superiori a 10.000 atmosfere.

studi sui cristalli di ghiaccio

Le simulazioni effettuate sul supercomputer MareNostrum di Barcellona dai ricercatori del CSIC e dell'Università Complutense di Madrid hanno confermato che la chiave della strana crescita dei cristalli di ghiaccio risiede nella loro struttura superficiale

Le superfici di ghiaccio possono trovarsi in tre diversi stati, con vari gradi di disordine. I passaggi dall'uno all'altro creano bruschi cambiamenti tassi di crescita quando le temperature aumentano e spiegano i diversi modi (appiattito, esagonale o entrambi) da ghiaccio o cristalli di neve nell'atmosfera.

La chiave di questi specifici cambiamenti e crescita dei cristalli è la loro struttura superficiale. Lo dimostra in qualche modo uno studio condotto dai ricercatori Luis González MacDowell dell'Università Complutense di Madrid (UCM), Eva Noya dell'Istituto di chimica fisica Rocca Solano (IQFR) dell'Alto Commissario per la ricerca scientifica e Pablo Llombart di entrambe le istituzioni. . L'articolo è stato pubblicato sulla rivista Science Advances.

"Il motivo di questo cambiamento è stato finora un mistero", afferma González MacDowell, ricordando che il ricercatore giapponese Ukichiro Nakaya scoprì negli anni '1930 i più piccoli cristalli di ghiaccio, chiamati polvere di diamante, a forma di prisma esagonale. Questi prismi possono essere piatti, come una losanga, o allungati, come una matita o un prisma esagonale, e possono trasformarsi da una forma all'altra a una temperatura specifica.

Simulazioni

I ricercatori hanno osservato che a basse temperature, la superficie del ghiaccio era liscia e relativamente ordinata. Quando le molecole di vapore entrano in collisione con la superficie, non riescono a trovare un posto dove precipitarsi ed evaporare rapidamente, che rende la crescita dei cristalli molto lenta.

Ma a temperature più elevate, la superficie del ghiaccio diventa più disordinata, con molti gradini. Le molecole di vapore possono facilmente trovare il loro posto sui gradini e i cristalli crescono rapidamente.

"Abbiamo osservato che questo cambiamento non è stato graduale, ma è avvenuto a causa di una transizione molto specifica chiamata transizione topologica. Ma ciò che ha reso il ghiaccio ancora più insolito è stato che all'improvviso, quando il guscio esterno del cristallo si è sciolto, la superficie è di nuovo più liscia e disordinata", ha detto Noah.

Quando diventa di nuovo molto liscia, la crescita del cristallo diventa molto lenta su quel lato del cristallo, ma non sull'altro lato. All'improvviso alcuni crescono velocemente, altri crescono lentamente e la forma dei cristalli cambia, come osservò Nakatani in esperimenti più di 90 anni fa.

Simulazione in MareNostrum

Dato che il ghiaccio è una sostanza complessa che deve essere studiata utilizzando tecniche sperimentali a causa della sua rapida evaporazione, per otto mesi sono state effettuate simulazioni sul più grande computer della Spagna, MareNostrum (BSC-CNS).

“Il lavoro computazionale ci ha permesso di determinare il percorso di ogni molecola d'acqua che forma il cristallo; ma ovviamente, per formare un piccolo cristallo, abbiamo bisogno di centinaia di migliaia di molecole, quindi la quantità di calcolo necessaria per fare questo studio è enorme. dice Llombart Say.

González MacDowell ha concluso che questi risultati sono “molto interessanti, ma la ricerca scientifica deve sempre essere confermata da nuovi calcoli e convalide. Nonostante questa cautela, siamo lieti che i nostri sforzi abbiano dato frutti sotto forma di risultati interessanti, perché sono stati necessari molti tentativi falliti per ottenere finanziamenti".

Inoltre, il chimico ricorda che i cristalli di neve atmosferici svolgono un ruolo importante nel riscaldamento globale: “Per comprendere l'impatto sul cambiamento climatico, dobbiamo comprenderne la forma e il tasso di crescita. Quindi la nostra migliore comprensione ci permette di mettere un altro pezzo nel puzzle multimilionario".

Spero che con queste informazioni possiate saperne di più sui cristalli di ghiaccio e sulle loro caratteristiche.