El hielo bajo el microscopio: Un mundo congelado en alta definición

El hielo en la naturaleza está rodeado de líquido la mayor parte del tiempo, por lo que es fundamental comprender cómo interactúan el hielo y el líquido. Un estudio de la Universidad de Kobe y el Instituto de Ciencia Molecular ahora ha podido observar directamente la forma precisa del hielo en la interfaz entre el hielo y el líquido, por primera vez, utilizando anticongelante y un microscopio refrigerado.

Cuando nos deslizamos sobre el hielo, cuando se forman los copos de nieve, cuando lamimos un helado, la superficie del hielo siempre está cubierta de agua líquida, y comprender la interacción entre el agua líquida y el hielo es vital para comprender todo el fenómeno. Sin embargo, debido a que el hielo y el agua se transforman rápidamente entre sí, ha sido imposible observar directamente la interfaz entre ambos.

Para acercarse a la comprensión de cómo interactúa el hielo con su líquido circundante, investigadores dirigidos por ONISHI Hiroshi de la Universidad de Kobe decidieron probar lo siguiente mejor. Dice: “Se nos ocurrió la idea de medir el hielo sumergido en anticongelante a una temperatura inferior a 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 varios procesos de prueba y error, descubrimos que teníamos que enfriar todo el sistema del microscopio en una caja de refrigeración, y se necesitó algo de ingenio para garantizar que el microscopio de fuerza atómica, un instrumento de medición de precisión, pudiera operar de manera estable a temperaturas bajo cero “, explica el investigador de la Universidad de Kobe.

En The Journal of Chemical Physics, el grupo publicó ahora sus resultados. Encontraron que, mientras que el hielo sin líquido circundante presenta los llamados “pilares de escarcha” de aproximadamente 20 nanómetros de altura, en el anticongelante el hielo es perfectamente plano con pasos ocasionales de solo una capa molecular de altura. “Creemos que la superficie plana se forma a través de… la disolución parcial y la recristalización de la superficie del hielo en el líquido 1-octanol (el 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 tienen propiedades similares, observaron que la superficie del hielo se ve 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 encontraron que el hielo es mucho más duro de lo que se estimaba previamente utilizando métodos menos directos.

Los investigadores esperan que sus resultados inviten a un mayor estudio de la interfaz hielo-líquido, pero también han establecido objetivos claros para su propio trabajo futuro y dicen: “Esperamos aumentar la resolución del microscopio a moléculas de agua individuales y utilizar métodos de medición distintos de la microscopía de fuerza atómica. De esta manera, esperamos ampliar la gama de posibles aplicaciones de las mediciones a nivel molecular de la interfaz hielo-anticongelante”.

Esta investigación fue financiada por el Ministerio de Educación, Cultura, Deportes, Ciencia y Tecnología de Japón (becas JPMXP1222MS0008 y JPMXP1223MS0001) y la Sociedad Japonesa para la Promoción de la Ciencia (becas 21K18935 y 23H05448). Se llevó a cabo en colaboración con investigadores del Instituto de Ciencia Molecular, Institutos Nacionales de Ciencias Naturales.

La Universidad de Kobe es una universidad nacional con raíces que se remontan a la Escuela Comercial de Kobe fundada en 1902. Actualmente es una de las principales universidades de investigación integrales de Japón con casi 16.000 estudiantes y casi 1.700 profesores en 10 facultades y escuelas y 15 escuelas de posgrado. Combinando las ciencias sociales y naturales para cultivar líderes con una perspectiva interdisciplinaria, la Universidad de Kobe crea conocimiento y fomenta la innovación para abordar los desafíos de la sociedad.