Nuevas pistas sobre los misteriosos cristales de nieve hexagonales

Sencillos y complejos a la vez, los minúsculos cristales hexagonales de nieve que se forman con el frío son, posiblemente, una de las manifestaciones más bellas y evocadoras de la naturaleza. Vistos de cerca, esas formas geométricas sorprenden por su perfección, pero ¿de qué depende que adopten una forma u otra? ¿Por qué tienen tantas variantes? ¿Es una «elección» caprichosa o responde a alguna fórmula?

Por lo general, se originan en condiciones de alta humedad, mientras que en atmósferas secas los cristales adoptan una apariencia mucho más austera, con prismas hexagonales. Ahora, un estudio realizado por científicos de la Universidad Complutense de Madrid se ha adentrado en sus secretos.

“Esta aparente sencillez esconde una complejidad asombrosa frente a los cambios de temperatura”, explica Luis González MacDowell, responsable del grupo de investigación de Interfaces Moleculares de la Universidad Complutense de Madrid (UCM), en un comunicado emitido por este centro.

Según va descenciendo la temperatura, los prismas hexagonales achatados se alargan y adoptan forma de columna, un comportamiento que se repite de forma sucesiva.

La clave, según las conclusiones del estudio, parece estar en una fina capa de agua líquida que aparece sobre la superficie del hielo cuando este entra en contacto con la atmósfera.

Los científicos han simulado por ordenador esta superficie a escala molecular, y han descubierto que «cuando se mira esta capa (de apenas un nanómetro) con mucho detalle, se comporta como si estuviese emparedada entre dos superficies de hielo-agua y agua-vapor”, explica González MacDowell, autor principal del estudio que se publica en Physical Review Letters.

Estas dos superficies (hielo-agua y agua-vapor) se comportan de manera distinta a alta y a baja temperatura. “Esta transformación es parecida a las transiciones de fase topológicas de Kosterlitz-Thoules que han recibido el Premio Nobel de Física este año”, compara Eduardo Sanz, investigador del equipo y coautor del trabajo.

Así, en condiciones muy frías, por debajo de -25 ºC o -20 ºC, los prismas hexagonales son más largos que anchos y presentan forma de columnas. Si se eleva la temperatura, entre -20 ºC y -10 ºC, los cristales pierden su altura y se transforman en prismas chatos. Cuando aumenta más allá de los -10 ºC, se vuelven a convertir en columnas, y vuelvan a achatarse si el mercurio sube a alrededor de los cero grados.

Lo que se sabía hasta ahora es que el prisma adopta forma de columna cuando las bases crecen más rápido, mientras que toma una forma achatada si son los lados (la cara prismática) los más veloces.

“Esta explicación es incompleta puesto que no indica por qué las velocidades de crecimiento de las diferentes caras del prisma cambian con la temperatura. Eso es lo que hemos investigado nosotros”, señala Pablo Llombart, investigador del equipo y coautor del trabajo.

El estudio revela que dos grados por debajo del punto de fusión del hielo (a los 0 ºC), las fluctuaciones de los lados del prisma son pequeñas, como las de una superficie lisa. Por encima de esa temperatura se hacen muy grandes y aumentan a medida que crece el cristal, como en las superficies rugosas.

“Al convertirse en una superficie rugosa, su velocidad de crecimiento aumenta de forma abrupta, lo que indica la propensión de los cristales a crecer en forma de prismas hexagonales chatos, como se observa en la naturaleza”, explica Jorge Benet, investigación del equipo y coautor del estudio.

En su opinión, este hallazgo “es un pequeño paso, pero aún quedan unos cuantos más para llegar a entender por completo el misterio de los hábitos cristalinos del hielo atmosférico. Mucho campo abierto para seguir explorando este fascinante problema”.