Un ejemplo de este fenómeno lo encontramos todos los días en la meteorología: las nubes de gran altura son una acumulación de gotitas de agua sobreenfriada por debajo de su punto de congelación.
Los científicos de la Commissariat à l’Energie Atomique et aux Energies Alternatives (CEA), el Centro Nacional de Investigación Científica (CNRS) y el ESRF, hallaron una explicación experimental al fenómeno del sobreenfriamiento.
Los líquidos subrenfriados resultan atrapados en un estado metaestable, incluso bastante por debajo del punto de congelación, algo que sólo puede lograrse con líquidos que no contienen semillas que puedan provocar la cristalización.
Las nubes a gran altura son un buen ejemplo de esto: contienen pequeñas gotas de agua que, en ausencia de cristales de semillas, no forman hielo, a pesar de las bajas temperaturas.
En la vida cotidiana, por el contrario, siempre suele haber alguna impureza cristalina en contacto con el líquido que provocará el proceso de cristalización, y por lo tanto, la congelación.
Controlar este comportamiento de solidificación es importante para determinadas aplicaciones, que van desde la prevención de granizo hasta procesos tecnológicos como la soldadura y la fundición o incluso el crecimiento de nanoestructuras semiconductoras.
Este fenómeno ya fue descubierto en 1724 por Fahrenheit, pero incluso hoy día sigue siendo un tema de debate intenso.
En los últimos 60 años, la propia existencia del sobreenfriamiento profundo dio lugar a especulaciones sobre que la estructura interna de los líquidos podría ser incompatible con la cristalización.
Los modelos proponían que una fracción significativa de átomos de los líquidos se disponía en grupos ordenados en cinco.
No obstante, para formar un cristal se necesita una estructura que pueda repetirse periódicamente llenando todo el espacio.
Esto no es posible con dichas agrupaciones ordenadas en cinco.
En una analogía bidimensional, un avión no puede estar ocupado únicamente por pentágonos, mientras que los triángulos, rectángulos o hexágonos pueden llenar un avión a la perfección.
En este ejemplo, los pentágonos son un obstáculo para la cristalización.
Hasta hoy no había ninguna prueba experimental de que es en estas estructuras ordenadas en cinco donde radicaba el origen del sobreenfriamiento.
Los investigadores de la CEA, el CNRS y ESRF, estudiaron la estructura de un líquido especial, una aleación de oro y silicio, en contacto con una superficie de silicio especialmente decorada, donde la capa más externa de este sólido se caracteriza por su disposición atómica pentagonal.
Sus resultados se confirmaron tras llevar a cabo un fuerte efecto de sobreenfriamiento.
"Estudiamos lo que pasaba con el líquido al entrar en contacto con una superficie ordenada en cinco", explica Tobias Schülli, primer autor del documento.
El equipo realizó el experimento de control con el mismo líquido expuesto a una superficie ordenada en tres y en cuatro, lo que redujo drásticamente el efecto de sobreenfriamiento.
"Esta constituye la primera prueba experimental de que en la ordenación pentagonal está el origen del sobreenfriamiento", continuó Tobias Schülli.
Fue durante sus estudios, centrados originalmente en el desarrollo de nanohilos semiconductores, que los científicos descubrieron las propiedades inusuales de estos líquidos.
Cuando observaban la primera etapa de desarrollo de los nanohilos, pudieron ver que la aleación de metal semiconductor que usaban permanecía líquida a una temperatura muy inferior a su punto de cristalización, por lo que decidieron investigar este fenómeno.
Estas aleaciones líquidas son comunes en la investigación aplicada, ya que permiten desarrollar sofisticadas nanoestructuras de semiconductores a temperaturas muy bajas.
La mayoría de estas estructuras de nanohilos se desarrollan sobre silicio, la misma superficie utilizada por el equipo.
Los nanohilos semiconductores son candidatos prometedores para el futuro de los dispositivos electrónicos.
Ejemplos destacados son las células solares, donde los científicos están trabajando en la integración de estos nanohilos de silicio para aumentar su rendimiento.
- Imagen: Gotas de una aleación líquida de oro y silicio sobre una superficie de silicio. Crédito: M. Collignon
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