En Nueva Zelanda y Australia un grupo de científicos estaban realizando experimentos a escala atómica con varios metales disueltos en disolvente líquido de galio cuando observaron algo inusual: diferentes tipos de metal se autoensamblaban en diferentes formas de cristales, con el zinc creando diminutos copos de nieve metálicos. Describieron sus resultados en un artículo publicado a principios de este mes en la revista Science.
"A diferencia de los métodos descendentes para formar nanoestructuras (cortando el material), este método ascendente se basa en el autoensamblaje de los átomos", explica Nicola Gaston, coautora del estudio y profesora de la Universidad de Auckland. "Así es como la naturaleza fabrica las nanopartículas y es menos derrochador y mucho más preciso que los métodos descendentes. Además, la creación de un copo de nieve metálico tiene algo muy chulo".
Los copos de nieve son el ejemplo más conocido de crecimiento de cristales, al menos entre la población general. Se sabe desde hace tiempo que, en determinadas condiciones, el vapor de agua puede condensarse directamente en diminutos cristales de hielo, que suelen formar la forma de un prisma hexagonal (dos caras "basales" hexagonales y seis caras "prismáticas" rectangulares). Pero ese cristal también atrae más gotas de agua enfriada en el aire. De las esquinas de los cristales individuales brotan ramificaciones que forman copos de nieve de formas cada vez más complejas.
Las formas de los copos y cristales de nieve han fascinado durante mucho tiempo a los científicos, como Johannes Kepler, que en 1611 dejó de observar las estrellas para publicar un breve artículo titulado "Sobre el copo de nieve de seis esquinas". Le intrigaba el hecho de que los cristales de nieve siempre parecían mostrar una simetría séxtuple. Unos 20 años más tarde, René Descartes se puso poético tras observar unos copos de nieve de 12 lados mucho más raros, "tan perfectamente formados en hexágonos y cuyos seis lados eran tan rectos y los seis ángulos tan iguales, que es imposible para los hombres hacer algo tan exacto". Reflexionó sobre cómo podría haberse creado una forma tan perfectamente simétrica y finalmente llegó a una descripción razonablemente exacta del ciclo del agua, añadiendo que "estaban obligados a disponerse de tal manera que cada uno estaba rodeado por otros seis en el mismo plano, siguiendo el orden ordinario de la naturaleza."
La Micrographia de Robert Hooke, publicada en 1665, contenía algunos esbozos de copos de nieve que observó con su microscopio. Pero nadie realizó un estudio verdaderamente sistemático de los cristales de nieve hasta la década de 1950, cuando un físico nuclear japonés llamado Ukichiro Nakaya identificó y catalogó los principales tipos de cristales de nieve. Nakaya fue el primero en cultivar cristales de nieve artificiales en el laboratorio. En 1954 publicó un libro sobre sus descubrimientos: Cristales de nieve: Natural y Artificial.
Gracias al trabajo pionero de Nakaya, se sabe que ciertas condiciones atmosféricas, como la temperatura y la humedad, pueden influir en la forma de un copo de nieve. Las formas estrelladas se forman a -2 grados Celsius y -15 grados Celsius, mientras que las columnas se forman a -5 grados Celsius y de nuevo a unos -30 grados Celsius. Cuanto mayor es la humedad, más compleja es la forma. Si la humedad es especialmente alta, pueden llegar a formar largas agujas o grandes placas delgadas.
Kenneth Libbrecht, físico del Caltech, lleva más de dos décadas estudiando y fotografiando la formación de los copos de nieve y al igual que Nakaya, también crea sus propios copos de nieve en el laboratorio, utilizando cuidadosamente un pequeño pincel para transferir las delicadas estructuras a un portaobjetos de cristal, tomando fotografías con una cámara digital montada en un microscopio de alta resolución. Durante todos estos años ha documentado los muchos tipos de cristales de nieve, culminando en una monografía de 540 páginas que ha sido calificada como un “tour de forcé” de la física de los copos de nieve.
Recientemente, en 2019, Libbrecht desarrolló lo que denominó un modelo "semi-empírico" de los procesos atómicos en funcionamiento para explicar por qué hay dos tipos principales de copos de nieve: la icónica estrella plana, con seis o 12 puntas y una columna, a veces intercalada por tapas planas y a veces parecida a un perno de ferretería. Libbrecht quería explorar con precisión qué cambia con los cambios de temperatura. Su modelo incorpora un fenómeno llamado difusión molecular impulsada por la energía superficial. Por Quanta:
Un cristal delgado y plano (en forma de placa o de estrella) se forma cuando los bordes acumulan material más rápidamente que las dos caras del cristal. El cristal se extiende hacia el exterior. Sin embargo, cuando sus caras crecen más deprisa que sus aristas, el cristal se hace más alto, formando una aguja, una columna hueca o una varilla. Según el modelo de Libbrecht, el vapor de agua se deposita primero en las esquinas del cristal y luego se difunde por la superficie hacia la arista del cristal o hacia sus caras, haciendo que el cristal crezca hacia fuera o hacia arriba, respectivamente. Cuál de estos procesos vence a medida que interactúan diversos efectos superficiales e inestabilidades depende sobre todo de la temperatura.Con este último trabajo, Gaston y sus colegas ampliaron la analogía de los copos de nieve de hielo a los metales. Disolvieron muestras de níquel, cobre, zinc, estaño, platino, bismuto, plata y aluminio en galio, que se vuelve líquido justo por encima de la temperatura ambiente, lo que lo convierte en un excelente disolvente líquido para los experimentos. Una vez que todo se enfrió, se formaron los cristales metálicos pero el galio permaneció líquido. Consiguieron extraer los cristales metálicos reduciendo la tensión superficial del disolvente de galio (lo que lograron mediante una combinación de modulación electrocapilar y filtración al vacío) y documentaron cuidadosamente las distintas morfologías de cada uno.
A continuación, realizaron simulaciones de la dinámica molecular para determinar por qué los distintos metales producían cristales de formas diferentes: cubos, varillas, placas hexagonales y, en el caso del zinc, una estructura de copo de nieve. Descubrieron que todo se reduce a las interacciones entre la estructura atómica de los metales y el galio líquido.
"Lo que estamos aprendiendo es que la estructura del galio líquido es muy importante", afirma Gaston. "Eso es novedoso porque normalmente pensamos que los líquidos carecen de estructura o que sólo