Utilice un microscopio criogénico y anticongelante para observar directamente la interfaz hielo-líquido

El hielo en la naturaleza está rodeado de líquidos la mayor parte del tiempo, por lo que comprender cómo interactúan el hielo y los líquidos es crucial. Un estudio realizado por la Universidad de Kobe y el Instituto de Ciencias Moleculares pudo observar por primera vez la forma precisa del hielo en la interfaz entre el hielo y los líquidos, utilizando anticongelante y un microscopio criogénico.

Cuando nos deslizamos sobre el hielo, cuando se forman copos de nieve y cuando lamemos un helado, la superficie del hielo siempre está cubierta de agua líquida, y comprender la interacción entre el agua líquida y el hielo es vital para comprender todo el fenómeno. Sin embargo, a medida que el hielo y el agua se transforman rápidamente entre sí, se ha vuelto imposible observar directamente la interfaz entre los dos.

Para acercarse a la comprensión de cómo interactúa el hielo con el líquido que lo rodea, los investigadores dirigidos por Onishi Hiroshi de la Universidad de Kobe decidieron intentar lo mejor posible.

“Se nos ocurrió la idea de medir el hielo sumergido en anticongelante a una temperatura inferior a 0°C”, afirma. “De esta manera el hielo no se derrite y la interfaz no se mueve, y debería ser posible hacerlo. observaciones precisas”. Sin embargo, los investigadores tuvieron dificultades para obtener buenas mediciones del hielo.

«A través de varios procesos de prueba y error, descubrimos que teníamos que enfriar todo el sistema del microscopio en una caja fría, y se necesitó algo de creatividad para garantizar que el microscopio de fuerza atómica, un instrumento de medición preciso, pudiera funcionar de manera estable a temperaturas bajo cero». explica el investigador en la Universidad de Kobe.

en Revista de física químicaEl grupo publicó sus resultados. Descubrieron que, mientras que el hielo sin líquido circundante se caracteriza por las llamadas “columnas de escarcha” de unos 20 nanómetros de altura, el hielo en el anticongelante es completamente plano con escalones ocasionales que tienen sólo una capa molecular de altura.

«Creemos que la superficie plana se forma por… disolución parcial y recristalización de la superficie del hielo en 1-octanol líquido (anticongelante)», escribieron los investigadores en su artículo.

Onishi y su equipo también experimentaron con diferentes líquidos, todos ellos alcoholes como el 1-octanol. Aunque todos los líquidos con los que experimentaron tenían propiedades similares, notaron que la superficie del hielo tenía un aspecto diferente en cada caso, lo que subraya la importancia de medir directamente la interfaz. Además, investigaron la «dureza» de la superficie del hielo bajo 1-octanol y descubrieron que el hielo era mucho más rígido de lo que se había estimado anteriormente utilizando métodos menos directos.

Los investigadores esperan que sus resultados conduzcan a un mayor estudio de la interfaz entre el hielo y el líquido, pero también fijaron objetivos claros para su trabajo futuro, diciendo: «Esperamos aumentar la resolución de la microscopía para moléculas de agua individuales y utilizar métodos de medición diferentes». Más allá de la microscopía de fuerza atómica, esperamos ampliar así la gama de posibles aplicaciones de las mediciones. «A nivel molecular de la interfaz entre el hielo y el anticongelante».