Gas noble congelado en el acelerador

29.05.2024

Investigadores del XFEL europeo de Schenefeld, cerca de Hamburgo, han estudiado más de cerca la formación de la primera cristalización de núcleos en líquidos superenfriados. Lo han descubierto: La formación comienza mucho más tarde de lo que se suponía. Los hallazgos podrían ayudar en el futuro a comprender mejor la creación de hielo en las nubes y a describir con mayor precisión algunos procesos en el interior de la Tierra.

Todos los niños saben que el agua se congela cuando hace un frío glacial. En el caso del agua, esto ocurre normalmente por debajo de los cero grados centígrados, la temperatura de fusión del agua. Se trata de un punto fijo en la escala de temperatura Celsius que utilizamos.

Sin embargo, la transición de la fase líquida a la sólida es un proceso muy complejo y difícil de estudiar experimentalmente a nivel atómico. Una de las razones es que los cristales se forman al azar: No se sabe exactamente cuándo y dónde ocurrirá. Además, un líquido puede permanecer en estado metaestable durante mucho tiempo: Permanece líquido aunque debería congelarse y solidificarse. Esto hace extraordinariamente difícil señalar el momento adecuado para que se forme un cristal y observar su crecimiento.

Sin embargo, estos efectos son muy relevantes en la naturaleza. Por ejemplo, desempeñan un papel decisivo en la formación de hielo en las nubes o en procesos en el interior de la Tierra.

Utilizando los intensos destellos de rayos X del láser de electrones libres del European XFEL, un equipo internacional de investigadores del European XFEL de Schenefeld, cerca de Hamburgo, ha logrado ahora medir con precisión la nucleación de líquidos superenfriados. Los experimentos se llevaron a cabo en el vacío para que la luz de rayos X no interaccionara con las moléculas del aire, que interferirían en los experimentos. Sin embargo, debido a su complejidad, el agua es uno de los líquidos más difíciles de modelizar. Por este motivo, los investigadores utilizaron en sus experimentos argón y criptón en estado líquido. De hecho, los líquidos de gases nobles superenfriados son los únicos sistemas para los que actualmente se pueden hacer predicciones teóricas fiables.

Los investigadores estudiaron explícitamente la llamada tasa de nucleación de cristales J(T). Se trata de una medida de la probabilidad de que se forme un cristal en un determinado volumen en un tiempo determinado. La velocidad a la que esto ocurre es un parámetro importante, por ejemplo para poder describir matemáticamente procesos reales en modelos, como los de predicción meteorológica o los climáticos.

Como es tan difícil medir la formación real de cristales, a menudo se recurre a simulaciones. Sin embargo, éstas llevan asociadas grandes incertidumbres. Por ejemplo, las tasas de nucleación simuladas para el agua pueden desviarse en varios órdenes de magnitud de las medidas experimentalmente, lo que hace que la modelización sea inexacta.

El láser de rayos X del XFEL europeo es ideal para investigaciones de este tipo: con la ayuda de intensos destellos de rayos X, los investigadores pueden investigar los rapidísimos cambios en el desarrollo de la cristalización.

El equipo eligió el instrumento MID (MID = Materials Imaging and Dynamics) para sus experimentos. Bombardearon los chorros de líquido con pulsos de rayos X de una energía de 9,7 kiloelectronvoltios (keV). Cada pulso de rayos X duró menos de 25 femtosegundos (un femtosegundo equivale a la cuatrillonésima parte de un segundo). Para ilustrarlo: la luz recorre menos de un milímetro en este tiempo.

Los experimentadores dirigieron la intensa luz de rayos X sobre el chorro de líquido, que sólo tenía 3,5 micrómetros de grosor, enfocándola sobre una superficie con un diámetro inferior a un micrómetro. En total, el equipo grabó varios millones de imágenes de difracción para disponer de estadísticas suficientes y determinar la tasa de formación de cristales con suficiente precisión.

Según sus resultados, las tasas de nucleación de cristales son mucho menores que las predichas a partir de simulaciones y de la teoría clásica. "El estudio promete ampliar significativamente nuestra comprensión de la cristalización", afirma Johannes Möller, del instrumento MID del XFEL europeo. "Los resultados muestran que la teoría clásica ampliamente utilizada sobre la formación de cristales a partir de la fase líquida se desvía significativamente de la realidad", explica Möller. "Esperamos que nuestro enfoque permita probar por primera vez varias extensiones de la teoría clásica para predecir la cristalización", añade Robert Grisenti, del GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung, autor principal del estudio. "Nuestros hallazgos ayudarán a los teóricos a perfeccionar sus modelos en el futuro".

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