El origen de las diferentes formas de los cristales de hielo

La superficie del hielo puede estar en tres estados diferentes con distinto grado de desorden. Según sube la temperatura, el paso de uno a otro produce un cambio súbito en la tasa de crecimiento y explica las distintas formas que adoptan los cristales de hielo o nieve en la atmósfera (aplastados, con aspecto de prisma hexagonal o ambos). La clave de estos cambios y crecimiento particular de los cristales está en la estructura de su superficie.

Así lo señala un estudio realizado por los investigadores Luis González MacDowell de la Universidad Complutense de Madrid (UCM), Eva Noya del Instituto de Química Física Rocasolano (IQFR) del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y Pablo Llombart, de ambas instituciones. El artículo se publica en la revista Science Advances.

“La causa de este cambio ha sido un misterio hasta la fecha”, señala González MacDowell, quien recuerda que el investigador japonés Ukichiro Nakaya descubrió en los años 30 del siglo pasado que los cristales de hielo más diminutos, llamados polvo de diamante, tienen la forma de prismas hexagonales. Estos prismas pueden ser chatos, como píldoras, o bien alargados, como un lápiz o prisma hexágonal, y pueden transformarse de una forma a la otra a ciertas temperaturas.

Distintas formas de cristales de hielo y su variación con la temperatura. / Caltech-Libbrecht

Los investigadores han observado que a baja temperatura la superficie del hielo es lisa o suave y está relativamente ordenada. Las moléculas de vapor, al colisionar con la superficie, no encuentran dónde acomodarse, y se vuelven a evaporar rápidamente, con lo que el crecimiento del cristal es muy lento.

Pero a mayor temperatura, la superficie del hielo se vuelve más desordenada, con abundantes escalones. Las moléculas de vapor encuentran fácilmente acomodo sobre los peldaños, y el cristal crece rápidamente.

“Hemos observado que este cambio no es gradual, sino que ocurre como causa de una transformación muy especial, llamada transición topológica. Pero lo que hace todavía más extraordinario al hielo es que, de repente, al fundirse las capas externas del cristal, su superficie se vuelve más lisa de nuevo, con menos desorden”, destaca Noya.

Al hacerse de nuevo muy lisa, el crecimiento cristalino se vuelve muy lento sobre esa cara del cristal, pero no sobre las demás. De repente unas crecen rápido y otra crece despacio, y la forma del cristal se transforma, tal y como observó Nakaya en sus experimentos hace más de 90 años.

Al cambiar la temperatura el aspecto de los cristales de nieve alterna entre formas chatas y alargadas con forma de prisma. La estructura molecular de las caras determina su forma. A la izquierda, se observa arriba la estructura de la base del prisma y abajo la estructura de sus caras laterales. A la derecha, detalle de los cambios con las temperaturas. / Pablo Llombart et al.

Simulación en el MareNostrum

Al ser el hielo un agente complicado de estudiar con técnicas experimentales por su rápida evaporación, para realizar el estudio se han realizado simulaciones durante ocho meses en el ordenador más grande de España, el MareNostrum (BSC-CNS).

“El trabajo computacional nos permite determinar la trayectoria de cada una de las moléculas de agua que forman el cristal; pero  claro, para formar un pequeño cristal necesitamos centenares de miles de moléculas, y por tanto el número de cálculos necesarios para realizar el estudio es colosal”, asegura Llombart.

González MacDowell concluye que estos resultados “se adivinan muy interesantes, pero los estudios científicos siempre es preciso corroborarlos con nuevos cálculos y comprobaciones. A pesar de esta cautela, estamos contentos de que nuestro esfuerzo tenga una buena recompensa científica en forma de resultados interesantes, ya que nos ha costado muchos intentos fallidos conseguir financiación”.

Además, el químico recuerda que los cristales de nieve en la atmósfera desempeñan un papel importante en el calentamiento global, ya que reflejan parte de la luz solar, y pu: “Para saber cuál es el efecto sobre el cambio climático necesitamos entender qué forma adoptan y la velocidad a la que crecen. Así que la mejora en nuestra comprensión del crecimiento del hielo nos permite colocar una pieza más en un puzzle que tiene millones”.