Ciencia

La química descifra la geometría del copo de nieve

Una investigación aclara las conjeturas sobre la nieve que hiciera hace 400 años Johannes Kepler

14.05.2017 | 14:57
La curiosa forma geométrica del copo de nieve.

Una investigación dirigida por la profesora de química Mary Jane Shultz, de la Escuela de Artes y Ciencias de la Universidad de Tufts (Estados Unidos), ha respondido a las especulaciones de hace más de 400 años hechas por el renombrado científico Johannes Kepler sobre la creación de una de las formas más bellas de la naturaleza: el copo de nieve de seis caras.

Aunque los átomos no se descubrieron hasta más de dos siglos más tarde, Kepler reflexionó abiertamente sobre los bloques de construcción microscópicos que conducen a la formación hexagonal del cristal de hielo, incluyendo la miríada de factores detrás de este fenómeno recurrente.

Ahora, este nuevo estudio, publicado en 'PNAS' ha arrojado nueva luz sobre este proceso mediante la combinación de una retrodispersión de electrones con un modelo de cristal sencillo de hielo. En este trabajo, los científicos descubrieron que los lados planos de un cristal de hielo están formados por un hexágono más grande, que consiste en una molécula de agua central rodeada por otras seis en la misma capa.

Según afirma Shultz, el hexágono en forma de silla tiene tres moléculas en una capa y tres más ligeramente debajo en lo que se llama una estructura bicapa. Los seis lados planos de un copo de nieve crecen a partir de un hexágono formado dentro de una capa. Este hexágono más grande se gira 30 grados con respecto al hexágono de forma de silla.

"Los copos de nieve crecen a partir del vapor de agua, las caras que liberan más calor (por unidad de área) se evaporan -describe la química-. La cara con el menor desprendimiento de calor es la cara hexagonal, la siguiente es la cara plana del hexágono más grande. El lado plano del hexágono de forma de silla libera más calor por área que se vaporiza a sí mismo. Los lados planos que corresponden al hexágono más grande".

Los resultados del estudio desmienten los supuestos anteriores de que los copos de nieve crecen desde los lados planos del hexágono de forma de silla, tal y como ha expresado la investigadora.

Para determinar cómo se produce la formación, los investigadores construyeron un modelo que equilibra el calor liberado cuando las moléculas se incorporan en el enrejado sólido contra la probabilidad de un apego exitoso. La combinación de técnicas macroscópicas y de nivel molecular permitió al equipo investigar la misma superficie a diferentes escalas.

La sonda macroscópica se ha utilizado durante décadas para investigar el hielo. Esta técnica produce las hermosas imágenes visuales de la forma hexagonal macroscópica. La sonda de nivel molecular es más reciente. Mientras la radiografía se utiliza comúnmente para mostrar el nivel molecular, Shultz y su equipo optaron por utilizar la técnica de difracción de retrodispersión de electrones, que produce gráficos de densidad de orientación que son más ilustrativos y visualmente atractivos.

"El seguimiento cuidadoso de la orientación de la muestra nos permitió vincular las dos imágenes para producir la conexión", relata.

La investigación confirmó que los puntos de copo de nieve se alinean con los ejes cristalográficos mostrados como puntos calientes en los datos de retrodifusión electrónica. La significación es que el lado plano de un copo de nieve consiste en una estructura bicapa. La cara basal es un hexágono de forma de silla; La alteración ascendente forma una bicapa. El lado plano es un hexágono formado por pares de moléculas de agua que unen pares en la mitad inferior de la bicapa.

Se espera que la flexibilidad y la movilidad de un par tenga como resultado una reactividad única de esta cara, incluyendo catalizar potencialmente la conversión de gases como CO2 y óxidos de nitrógeno en la atmósfera. Según ha informado Shultz, el equipo se encuentra ahora investigando esta reactividad.

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