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Crear hielo a temperatura ambiente: Un reto frente al cambio climático

 

Parecen montañas nevadas y tiene que ver, ya que se trata de hielo (agua estructurada) sobre cristales de fluoruro de bario a temperatura ambiente

 

El agua forma nanohilos sobre una superficie hidrofóbica de un amino ácido L-valina

¿Podemos hacer que llueva a gusto de todos y crear hielo a una temperatura superior a 0ºC? El Grupo de Sistemas Moleculares del Centro de Investigación en Nanociencia y Nanotecnología, CIN2 (CSIC-ICN), está respondiendo a estos interrogantes con vistas a encontrar una aplicación para afrontar algunos efectos del cambio climático.

 

Es bien sabido que el agua -a pesar de su abundancia en el planeta- es un bien escaso. Sobre todo últimamente, que se ha puesto en evidencia la necesidad de tender hacia estrategias de gestión racional y que se han hecho grandes esfuerzos para hacer estudios desde una perspectiva global. En algunos casos, sin embargo, volver a fijarse en lo que hacen las moléculas concretas de agua -y sus átomos- puede abrir líneas complementarias de investigación, necesarias, cuando se buscan soluciones.

 

En esta dirección va encaminada la investigación del grupo que dirige Jordi Fraxedas, en el CIN2, que centra su atención en la actividad de las moléculas de agua cuando se exponen a diferentes materiales encima de diminutas superficies. Parece que en estas dimensiones su comportamiento es bastante diferente del de niveles superiores, y que esto puede tener implicaciones en campos muy diversos del medio ambiente (sequía, contaminación, lluvia ácida, etc.).

 

La importancia de obtener hielo a 25 grados C

 

El Grupo de Sistemas Moleculares del CIN2 estudia las propiedades físicas del agua encima de superficies en dimensiones nanométricas, unas dimensiones tan pequeñas que escapan la capacidad del ojo y la de los microscopios convencionales. Investigando qué pasa a nivel atómico y molecular cuando ponemos el agua sobre superficies que contengan elementos o compuestos presentes en la atmósfera (como aerosoles marinos, contaminantes o materiales que induzcan la lluvia) podremos entender los fenómenos más relevantes a nivel fundamental y, quizás, encontrar aplicaciones en un cierto plazo de tiempo.

 

Uno de los aspectos que está estudiando detalladamente este grupo del CIN2 es la formación de hielo a temperatura ambiente o cómo obtener agua sólida a 25ºC ! Los investigadores han visto que encima de cristales de fluoruro de bario (BaF2) el agua se adhiere (se adsorbe) formando dos capas paralelas de estructura hexagonal, muy similar a la del hielo que se encuentra en la Tierra. Esta estructura facilita la nucleación, es decir, que se agregan las moléculas de agua en forma de pequeños cristales alrededor de una partícula inicial. Es el mismo proceso que, en ambientes cargados de vapor de agua, induce la lluvia por condensación. Por tanto, éste sería un buen candidato para provocar lluvia según las necesidades y de una manera eficiente. "Escogimos el fluoruro de bario", dicen los investigadores, "porque una de sus caras cristalográficas tiene una estructura hexagonal muy parecida a la del hielo y se pueden conseguir cristales muy puros".

 

¿Cómo se observa la superficie del agua?

 

Trabajar escala nanométrica -un nanómetro es la millonésima parte de un milímetro- requiere unas condiciones de trabajo especiales tanto en la manipulación de materiales como por las técnicas y los aparatos de observación. Habitualmente, la investigación sobre superficies utiliza un microscopio que se llama de fuerzas atómicas en el que la muestra no se observa ópticamente, sino que se visualizan algunas propiedades físicas del material. Con una punta pequeñísima se va recorriendo toda la superficie, como si se recorriese el perfil, y lo que se visualiza son las minúsculas fuerzas de interacción entre átomos o moléculas de la punta y la superficie del material.

Al estudiar un líquido, como en este caso, se plantea el problema añadido de la capilaridad, que hace que la superficie de agua, en contacto con un sólido (la punta), suba hacia este y perturbe los resultados de lo que observamos. Por esta razón, este grupo del CIN2 ha modificado en cierta medida el microscopio de fuerzas atómicas para evitar el contacto con la superficie. Con la punta a una distancia de unos pocos nanómetros, se crea un campo de fuerzas de atracción electrostática que permite "observar" la muestra sin alterarla. Otra innovación técnica ha sido la creación de las condiciones necesarias para poder estudiar las muestras en condiciones ambientales -habitualmente se hacen en el vacío- para que la investigación se aproxime a lo que pasa en la realidad.

 

El fluoruro de bario sería un buen candidato para provocar lluvia según las necesidades y de una manera eficiente. 

 

Hacia una técnica eficiente de provocar lluvia

 

Puesto que nunca llueve a gusto de todos, la posibilidad de hacer llover cómo y cuando queramos podría ser el deseo de muchos. De hecho, se trata un viejo sueño que, desde mediados del siglo XX, se ha traducido en numerosos experimentos para hacer realidad la creación de nubes y de precipitaciones (lluvia y nieve) en diferentes partes del planeta. Tanto es así, que la técnica de dispersar sustancias en el aire que sirven para la condensación o la nucleación de hielo ha recibido el nombre de siembra de nubes (en inglés cloud seeding). Las sustancias químicas más utilizadas han sido el ioduro de plata (Agl, con una estructura cristalina similar a la del hielo) y el hielo seco (CO2 en estado sólido), que por sus características -la estructura y la temperatura, respectivamente- favorecen la precipitación. Hoy en día, esta práctica se sigue realizando en bastantes países, aunque no se ha demostrado claramente que ninguna de las modalidades sea realmente efectiva.

 

Las investigaciones del grupo del CIN2 podrían aportar mejoras sensibles respecto a las anteriores y hacer que la condensación fuera mucho más efectiva y reproducible a un coste razonable. La intención no es utilizar el fluoruro de bario para generar lluvia sino entender el fenómeno de la condensación inducida por la estructura del sustrato, para encontrar otros materiales más eficientes y que no afecten el medio ambiente.

 

Los materiales que se utilizan son de origen mineral y su número es limitado. Por ello, habría que diseñar y sintetizar nuevos materiales con superficies capaces de adsorber y liberar agua de manera controlada. Un ejemplo es la creación de superficies amfifílicas, es decir, que pueden ser hidrófilas -afines al agua-o hidrófobas -repulsoras-, en función de parámetros externos (humedad relativa, temperatura, presión atmosférica, etc.). Es claro, pues, que para hacer realidad estas posibilidades habrá que recurrir a la ingeniería de materiales y, en particular, la de superficies. Fraxedas concluye, sin embargo, que en última instancia habrá que conseguir la implicación de las instituciones y empresas del país dedicadas al sector del agua. Aparte de favorecer una cultura del agua, de promover infraestructuras eficientes y de definir los planteamientos urbanísticos, "los diferentes agentes del sector deberían arriesgarse a invertir en investigación básica porque de aquí surgirán nuevas ideas, nuevos materiales y procesos mejorados".

 

Fuente: R+D CSIC

 

Oficina de Transferencia de Tecnología (OTT) para dar a conocer la investigación de los centros del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC). Está elaborada por la Unidad de Comunicación y Transferencia de Tecnología, Delegación del CSIC en Catalunya.

 

http://www.ott.csic.es/rdcsic/rdcsicesp/rdho01esp.htm

 

www.cci-calidad.com

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