Conocimientos moleculares sobre la congelación de gotas de agua salada

En un nuevo estudio, los investigadores observaron la congelación de gotas de agua salada a nivel molecular, lo que ofrece nuevos conocimientos sobre las tecnologías de deshielo y antihielo. Contrariamente a la opinión generalizada, estas gotas no se ajustan a los patrones de congelación típicos que se observan en el agua pura.

equipo de investigación, quien lo estudio Fue publicado en Comunicaciones de la naturalezaRealizó experimentos para detectar la formación de una capa de salmuera (agua salada) sobre gotas de agua de mar congeladas, algo que no se había informado antes.

Esto fue acompañado por la aparición de cristales de hielo desde el fondo de la película de sal, que crecieron hasta penetrar la parte superior de la gota en un fenómeno llamado “crecimiento de hielo”. Estos se validaron mediante simulaciones de dinámica molecular (MD).

También llevaron a cabo un experimento similar para medir las tasas de pérdida de hielo y condensación, lo que respalda el mecanismo propuesto.

Congelar agua pura versus agua salada

La congelación de gotas de agua pura suele seguir un proceso bien conocido en el que la gota se enfría gradualmente hasta alcanzar su punto de congelación. A continuación, se forman y crecen cristales de hielo, adoptando una estructura de hielo sólida con una única punta puntiaguda.

Por otro lado, la congelación de gotas de agua salada conlleva complicaciones adicionales. Cuando una gota se congela, la concentración de sal en su interior afecta el punto de congelación, normalmente reduciéndolo en comparación con el agua pura. Esto también hace que la punta puntiaguda de la gota desaparezca, como se informó en investigaciones anteriores.

La formación de hielo, que se refiere a la acumulación de hielo en superficies u objetos debido a la congelación de gotas de agua, puede causar daños a varios procesos, como la navegación, la aviación y la infraestructura.

Sin embargo, el comportamiento de las gotas de agua salada presenta consideraciones adicionales. La presencia de una capa de salmuera puede afectar la adhesión de una gota congelada a las superficies, lo que puede afectar las estrategias antihielo o los revestimientos superficiales diseñados para mitigar la congelación.

El primer autor del estudio, el Dr. Fuqiang Zhou, profesor asociado de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing, habló con Phys.org sobre su trabajo.

«Tengo curiosidad por el fenómeno del hielo y comencé a estudiarlo durante mi doctorado. Sin embargo, creo que la gente aún no ha podido comprender completamente este fenómeno, especialmente cuando se utiliza una gota binaria, como una gota de sal».

«En este trabajo, estudiamos el proceso de congelación de gotas de sal y tratamos de descubrir cuán singular es la congelación de gotas de sal en comparación con las gotas de agua pura», dijo el Dr. Zhou.

Monitorear y analizar el proceso de congelación.

Para estudiar el proceso de congelación del agua salada, los investigadores utilizaron agua salada con diferentes concentraciones de sal. Utilizaron una unidad de refrigeración semiconductora para proporcionar enfriamiento controlado, lo que les permitió ajustar la temperatura de la superficie por debajo del punto de congelación de las gotas.

Se inyectaron gotas de agua salada sobre la superficie experimental, donde se sometieron a un proceso de congelación. Se han utilizado imágenes microscópicas de alta velocidad para registrar y analizar fenómenos de congelación, incluida la formación de una película líquida sobre las gotas congeladas.

Notaron la presencia de una solución salina concentrada dentro de las gotas de sal congeladas, lo que indica una congelación no completa, que es diferente de la congelación de las gotas de agua pura.

Basándose en mediciones de temperatura, los investigadores idearon una forma de predecir cuánto tiempo se congelarían las gotas de sal. Vincularon la aparición de una capa líquida sobre las gotas congeladas con el final del proceso de congelación, proporcionando un indicador visual para determinar cuándo congelarse.

A continuación, se utilizaron simulaciones MD para validar y complementar los resultados experimentales proporcionando una perspectiva a nivel molecular, lo que permitió a los investigadores comprender los mecanismos fundamentales que impulsan los fenómenos observados.

Las simulaciones MD tienen como objetivo reproducir observaciones experimentales y proporcionar información adicional sobre las interacciones moleculares que ocurren durante la congelación de gotas mediante la simulación del comportamiento de iones, moléculas de agua e interfaces de congelación a nanoescala.

El hielo crece

Los investigadores observaron la formación de una capa de sal sobre la gota congelada. Esta capa evita la formación de una punta puntiaguda y mantiene una temperatura constante en el interior de la gota.

«Después de que se forma la capa de salmuera, algunos cristales de hielo comienzan a crecer en el fondo de la capa, lo cual es muy similar al proceso de germinación de las semillas. Este fenómeno de crecimiento del hielo me sorprendió, haciéndome sentir como si las gotas estuvieran vivas». «El cuidado de la nueva vida», dijo el Dr. Zhu.

Este fenómeno único hace que la capa de salmuera se perfore y aumente el crecimiento de cristales de hielo en el aire.

El fenómeno de la germinación del hielo sufre condensación interfacial en la capa de salmuera saturada en condiciones de aire húmedo.

En otras palabras, debido a que la temperatura de la capa de salmuera es menor que el punto de rocío del aire circundante (la temperatura a la que el aire se satura con vapor de agua), hace que el vapor de agua se condense del aire en la interfaz de la salmuera. capa.

Esta agua condensada adelgaza la capa de salmuera, desequilibrándola. Como resultado de esta dilución, la capa de salmuera se sobresatura con sal, lo que provoca que precipiten cristales de hielo desde el interior de la capa. Los cristales de hielo que se forman dentro de la capa de salmuera aumentan la concentración de sal, volviendo a saturar la capa de salmuera a su temperatura.

«Esto indica que el efecto de la humedad ambiental no puede ignorarse al estudiar la transición de fase o el proceso de cristalización de las soluciones», añadió el Dr. Zhou.

Definición universal de duración de la congelación.

Además de estos dos fenómenos observados, los investigadores propusieron una definición universal de duración de la congelación para medir la tasa de congelación de gotas con diferentes concentraciones de sal. Este es un parámetro importante para evaluar el rendimiento de las superficies y tecnologías anticongelantes.

«Utilizando nuestra definición de la duración de la congelación de las gotas de sal, los investigadores podrán evaluar cuantitativamente el rendimiento de los métodos anticongelantes contra las gotas de sal. Esto puede ser útil para desarrollar tecnologías contra el hielo marino», explicó el Dr. Zhou.

Determinar la composición de la capa de sal sobre las gotas congeladas proporciona a los investigadores una forma estandarizada de determinar el final del proceso de congelación, lo que facilita medir y comparar el comportamiento de congelación de las gotas.

Hablando de las posibles aplicaciones de las tecnologías antihielo, el Dr. Zhou menciona la reducción de la adhesión de las gotas de agua salada congeladas.

«Para las gotas de agua salada, todo el proceso de formación de hielo se manifiesta como un crecimiento aleatorio de cristales de hielo, y queda salmuera concentrada en las grietas de los cristales de hielo».

«Como resultado, la adhesión de las gotas de agua salada congelada depende no sólo del área de contacto sino que también está relacionada con la dirección de crecimiento de las dendritas del hielo y la distribución de la salmuera concentrada. Esto se puede controlar ajustando la posición de los sitios de nucleación (configuración primaria) para obtener adhesión”, explicó el Dr. Zhou Low on ice.