¿Por qué el agua de las nubes no se congela?

¿Por qué no se congela el agua de las nubes? Siempre me lo he preguntado. Si están a una altitud superior a la de las nieves perpetuas de una montaña, o a la altura del avión en el que viajo y en cuyo exterior hay -20, -30 ó -50 ºC, ¿por qué no se solidifica el agua y cae?

Fijémonos en las nubes de la imagen, son nubes lenticulares (técnicamente Altocumulus lenticularis). Estas nubes son estacionarias, y se forman a grandes altitudes en zonas montañosas y aisladas de otras nubes. Se forman cuando una corriente de aire húmedo pasa sobre el pico de una montaña y la temperatura baja del punto de rocío. En las de la imagen, la temperatura es muy inferior al punto de rocío: a esa altitud es de menos de 10ºC bajo cero, y sin embargo no precipita en forma de nieve o granizo.

La respuesta habitual es que el agua está superenfriada, un estado (superfusión) en el que los líquidos no se solidifican ni siquiera por debajo de su punto de fusión normal. Hasta ahora esto era sólo un nombre para un hecho, pero no había una teoría convincente con base empírica que lo fundamentase. Ahora un equipo multidisciplinar liderado por Tobias Schülli del Instituto de Nanociencia y Criogenia de Francia ha encontrado una confirmación experimental de una de esas teorías. La investigación aparece publicada en Nature.

Los líquidos superenfriados están atrapados en un estado metaestable incluso a temperaturas muy por debajo de su punto de congelación. Este estado sólo puede alcanzarse en líquidos que no contengan gérmenes de cristalización, impurezas que puedan provocar el inicio del proceso. Las nubes a gran altitud son un buen ejemplo de esto: contienen gotitas de agua que, en ausencia de cristalitos de hielo que hagan de iniciadores, no forman hielo a pesar de las bajas temperaturas. En entornos más contaminados y en los procesos que se llevan a cabo en las industrias, siempre hay alguna impureza cristalina en contacto con el líquido que dispara el proceso de cristalización y, por tanto, la congelación. A este respecto el control del proceso de solidificación es importante para aplicaciones que van desde la prevención del granizo a procesos tecnológicos como la soldadura o la fundición de metales, o incluso el crecimiento de nanoestructuras semiconductoras.

La superfusión se descubrió alrededor de 1724 por Fahrenheit, pero incluso hoy el fenómeno es objeto de intensas discusiones. Durante los últimos 60 años la mera existencia de la superfusión a muy bajas temperaturas había llevado a especular con la idea de que la estructura interna de los líquidos podría ser incompatible con la cristalización. Uno de los modelos propone que una fracción significativa de los átomos en los líquidos se ordena en grupos de coordinación pentagonales. Pero para formar un cristal se necesita que la estructura pueda ser repetida periódicamente, llenando todo el espacio. Esto no es posible con una estructura pentagonal. Pensemos en dos dimensiones por un momento: yo puedo rellenar perfectamente un plano con sólo triángulos o rectángulos o hexágonos, pero no con pentágonos. Los pentágonos serían pues un obstáculo a la cristalización.

Hasta hoy no había una prueba experimental de que estas estructuras pentagonales estuviesen en la raíz de la superfusión. Y a la que ha obtenido el equipo de investigadores de Schülli se ha obtenido casi por casualidad. Los científicos estaban estudiando el crecimiento de nanocables semiconductores, algo aparentemente nada relacionado con nuestras nubes. Cuando estaban controlando la primera etapa de crecimiento de los nanocables se percataron de que la aleación de metal semiconductor que estaban usando permanecía líquido a una temperatura mucho más baja que su punto de cristalización, por lo que se decidieron a investigar el fenómeno.

Para hacerlo los investigadores pusieron en contacto un líquido muy particular, una aleación de oro y silicio (AuSi) con una superficie de silicio (111) [esto significa que el cristal de silicio, que es cúbico, se había sido cortado según el plano cristalográfico 111, para entendernos, en diagonal]. La superficie había sido tratada para que la capa más exterior presentase una disposición de los átomos pentagonal. Las mediciones confirmaron que el efecto de superenfriamiento intenso tenía lugar. Como control repitieron los experimentos con disposiciones atómicas triangulares y rectangulares, obteniendo que el superenfriamiento era mucho más débil. Por lo tanto, la ordenación pentagonal es muy probable que esté en el origen de por qué no se congelan las gotas de agua en las nubes.

Referencia:

Schülli, T., Daudin, R., Renaud, G., Vaysset, A., Geaymond, O., & Pasturel, A. (2010). Substrate-enhanced supercooling in AuSi eutectic droplets Nature, 464 (7292), 1174-1177 DOI: 10.1038/nature08986