Cando baixan as temperaturas é posible observar as formas máis fascinantes nun simple cristal de xeo. O paso das moléculas de auga do estado líquido ao sólido seguen uns patróns que, en moitos casos, seguen sendo unha incógnita para a ciencia. Hai case cen anos, na década dos 30 do século XX, o investigador xaponés Ukichiro Nakaya descubriu que os cristais de xeo máis diminutos, que recibían o nome de po de diamante, teñen a forma de prismas hexagonais, que podían ser ou ben alongados, como un lapis, ou máis chatos, como pílulas, e que podían pasar dunha a outra configuración en certas temperaturas. Porén, ata agora era un misterio como se producían os cambios nestes cristais. Pero un estudo publicado por investigadores da Universidad Complutense de Madrid e do CSIC, entre eles a científica de Rois Eva González Noya, desvela a clave do crecemento peculiar dos cristais de neve.
“Nós queriamos explicar por que os copos de neve, por exemplo, forman estruturas peculiares. Sabiamos que estes prismas poden medrar ao longo da base ou das caras, en función das condicións nas que estea. Había teorías que postulaban posibles explicacións, pero que eran moi complicadas de demostrar porque había que traballar no baleiro”, explica Eva Noya, que traballa no Instituto de Química Física Rocasolano (IQFR).
Simulacións
Para superar estas dificultades, Noya, xunto a Luis G. MacDowell e Pablo Llombart, os outros dous autores do artigo, optaron pola alternativa de simular a través da supercomputación a xénese destes prismas de xeo. “Fixemos un estudo detallado de como era a estrutura das distintas caras do xeo en función da temperatura mediante simulación molecular, e realizamos unha análise destes resultados. E foi cando atopamos que había cambios peculiares na estrutura, explica a física galega”.
“A baixa temperatura, a estrutura da superficie é lisa e suave, e está relativamente ordenada. Pero cando se aumenta a temperatura de forma brusca, esta estrutura vólvese máis desordenada, como en forma de chanzos, o que fai que as moléculas de vapor atopen oco entre estes chanzos e o cristal medre rapidamente”.
Desta observación dedúcese, segundo Eva Noya, que “este cambio non é gradual, senón que acontece como causa dunha transformación moi peculiar, chamada transición topolóxica“. E engade que “o que fai aínda máis extraordinario ao xeo é que, de súpeto, ao fundirse as capas externas do cristal, a súa superficie vólvese máis lisa de novo, con menos desorde”.
Despois desta transformación, o crecemento do cristal faise máis lento. Estas transicións prodúcense a diferentes temperaturas nas distintas caras do xeo. Deste xeito unha das caras medran rápido e outras máis amodo, o que provoca cambios na forma dos cristais. Para determinar a posible traxectoria de cada unha das moléculas, o equipo utilizou a potencia do ordenador máis grande de España, o Mare Nostrum do Barcelona Supercomputing Center. “Para formar un pequeno cristal precisamos centos de miles de moléculas, e por tanto o número de cálculos precisos para realizar o estudo é colosal”, explica ao CSIC Pablo Llombart, encargado das simulacións.
Cambio climático
Destaca a investigadora que unha das principais vías de estudo destes traballos de ciencia básica son as implicacións no cambio climático. “Os cristais de xeo fórmanse na atmosfera, polo que coñecer mellor os fenómenos que se producen na natureza, como é este caso , e como se reflicte a luz solar neles en función da súa estrutura, por exemplo, mellora a comprensión de como se reflicte a calor”. Os propios autores engaden na presentación do traballo a necesidade de entender este fenómeno: “Dado que os modelos climáticos predín un aumento de polo menos 2ºC para o ano 2100, a evolución do xeo converteuse nunha seria preocupación, pero aínda non entendemos ben como medra ou se derrite”.
O traballo forma parte dunha das principais liñas de investigación de Eva, licenciada en Física pola Universidade de Santiago de Compostela, e especializada en simulación molecular, disciplina coa que desenvolven modelos para ver como interaccionan as moléculas entre si e, deste xeito, relacionar as propiedades microscópicas coas propiedades macroscópicas que poden ser analizadas no laboratorio.
Referencia: Surface phase transitions and crystal habits of ice in the atmosphere (Publicado en Science Advances).
