Un físico español resolve, por fin, o misterio da 'pel invisible' do xeo

Non hai dúbida de que a auga é a substancia máis estraña e fascinante do universo coñecido. A diferenza de case calquera outro material, expándese en lugar de encollerse cando se conxela, o que permite que o xeo flote sobre o refresco en lugar de facelo sobre el. … afundirse ata o fondo. É un disolvente universal, o berce da vida, pero aínda esconde secretos que desconcertaron aos físicos durante séculos. Pero se a auga líquida é complexa, o seu “irmán” sólido, o xeo, é un auténtico pesadelo termodinámica.

Pense nos cubos do seu refrixerador. É xeo, claro, pero a súa estrutura non se parece en nada aos cristais individuais que se forman nas minchas de neve ou á capa xeada que cobre os estanques no inverno. E, a medida que baixan as temperaturas, os cristais de xeo actúan como unha montaña rusa estrutural: poden medrar ata adquirir formas de prismas hexagonales sólidos, converterse en láminas planas ou mesmo alzarse como fermosas columnas gregas.

Por que sucede isto? Que fai que un floco de neve sexa unha estrela perfecta e outro unha columna? Este comportamento foi durante moito tempo un misterio absoluto para os científicos que tentan comprendelo.

Cando os primeiros investigadores observaron este fenómeno, inmediatamente pensaron nunha antiga hipótese proposta no século XIX por Michael Faraday, un dos pais da física moderna. O xeo, mesmo por baixo do seu punto de fusión, sempre ten unha capa microscópicamente fina de auga líquida na súa superficie. Unha “pel” húmida invisible.

Esta chamada “película prefundida” podería explicar moitas cousas, incluído por que o xeo é esvaradío (raramente, xa que non adoitamos escorregar sobre granito ou aceiro). Con todo, a natureza desta capa, e mesmo a súa existencia mesma, foi obxecto dunha feroz e prolongada controversia científica.

De feito, durante décadas, os laboratorios de todo o mundo produciron resultados contraditorios. Algúns experimentos suxiren que a capa líquida existe e é moi espesa; outros pensan que é demasiado bo para ser verdade. Pero cal é a realidade? A física parece estar nun punto morto, polo menos nesta cuestión. ata o de agora.

Unha posible solución a este misterio provén do científico español Luis McDowell, investigador da Universidade Complutense, quen parece atopar a clave para conciliar todas estas contradicións, poñendo así fin ao debate. Os seus resultados acaban de publicarse no Journal of Chemical Physics.

Para desentrañar esta pregunta realmente peliaguda, McDowell decidiu non mirar directamente ao xeo en si, senón centrarse no seu diagrama de fases, a “imaxe” que utilizan os físicos para comprender como coexisten o xeo, a auga líquida e o vapor dependendo da temperatura e a presión. Resulta que hai un lugar “máxico” nese mapa, un pequeno lugar chamado “Punto da Tripla Fase” onde as tres fases conviven en igual estabilidade e perfecto equilibrio. É un límite delicado e a auga non “sabe” do todo se actuar como gas, líquido ou sólido.

Utilizando simulacións informáticas avanzadas, investigadores españois visualizaron con éxito o movemento das moléculas na superficie do xeo. Observou que xusto no punto triplo apareceu unha película, aínda que moi delgada, de só nanómetros de espesor. Iso é unha milmillonésima parte dun metro.

É nese momento invisible cando xorde a cuestión da historia. De feito, se as simulacións mostran unha capa de líquido case imperceptible, por que moitos experimentos de física reais informan películas máis grosas que conteñen máis auga líquida?

A orixinalidade do traballo de McDowell reside precisamente na súa explicación desta diferenza. Os investigadores din que a confusión histórica débese ao feito de que a maioría dos experimentos realizáronse inadvertidamente e lixeiramente desequilibrados.

“O equilibrio é un pouco”, dixo McDowell. Podes achegarche tanto como queiras, pero nunca estarás alí. “Incluso as desviacións máis pequenas poden desequilibrarse gravemente, o que fai moi difícil medir estas cousas”.

É como tentar manter en equilibrio unha pelota sobre unha pirámide. O máis mínimo sopro de aire, a máis mínima vibración substituirao. O mesmo sucede no laboratorio. Mesmo lixeiramente lonxe do punto triplo, as condicións cambian dramaticamente e a capa líquida parece espesarse.

O estudo detalla que debido ás inusuais propiedades de densidade da auga, o espesor da película líquida preto do punto de equilibrio é limitado. Nestas condicións específicas, o xeo sólido atópase nun estado “energéticamente mellor” que a auga líquida. Noutras palabras: a natureza fai “esforzos” para manter a auga líquida nunha superficie conxelada.

Pero este descubrimento non se limita á teoría molecular. Pola contra, combinando teorías de distintas disciplinas físicas, McDowell tamén logrou explicar os fenómenos macroscópicos, é dicir, os observados a primeira ollada. Por exemplo, puido ver como pequenas pingas condensábanse sobre a película, provocando unha “humectación parcial”.

Aquí volvemos aos flocos de neve e ás columnas gregas, porque é aquí, nesta capa invisible, onde ten a súa orixe a “montaña rusa” de formas mencionada ao principio.

Esta secuencia de transicións na forma dos cristais de neve está relacionada cos cambios no espesor da película prefundida que se producen na superficie do xeo, explicou McDowell. “Exhibe transicións de fase superficial, e en cada transición, hai cambios repentinos nas propiedades e a taxa de crecemento da superficie”.

Para entendelo mellor, podemos imaxinar que están a construír un edificio feito de ladrillos (cristais de xeo). Se o “cemento” (capa líquida) cambia repentinamente as súas propiedades e vólvese máis esvaradío ou pegañento nun lado do edificio, esa parede crecerá a un ritmo diferente que as outras paredes. Cando as caras e os lados do cristal crecen a diferentes ritmos, impulsados ​​polo comportamento das microcapas, emerxen diferentes xeometrías: desde columnares ata en forma de laxa.

McDowell espera que o seu traballo agora poida aplicarse á física atmosférica (a base para comprender o clima), a ciencia da fricción e comprender aínda mellor a mecánica da patinaxe, un deporte que se basea nunha rareza física que, sinceramente, aínda non entendemos do todo.

Aínda así, como admite o propio McDowell, o problema non está do todo resolvido. Por iso, os investigadores agora planean estudar como a fricción afecta a suavidade do xeo e, un factor crave no mundo real, como as impurezas afectan o espesor da película de xeo. Porque na natureza a auga nunca está completamente soa. Esta investigación confirma que Faraday tiña razón, iso é seguro, aínda que a realidade é moito máis complexa e matizada do que imaxinaba.

FONTE: Jose M. Nieves/abc.es/ciencia