En pleno verano, meter una bandeja de agua en el congelador para hacer cubitos de hielo puede parecer trivial. Pero a escalas muy pequeñas, aún desconocemos mucho sobre cómo se produce la congelación. Ahora, las primeras películas de hielo a escala molecular revelan que el cristal resultante es sorprendentemente flexible, según informan investigadores el 25 de septiembre en Nature Communications.

La transformación del agua líquida en hielo es un proceso fundamental tanto en la Tierra como en el exterior. El proceso de congelación y la estabilidad del hielo son vitales para los procesos atmosféricos, la seguridad del transporte y la preservación del tejido biológico. Para comprender mejor qué estabiliza y qué debilita el hielo, el científico de materiales Jingshan Du y sus colegas investigaron la tolerancia del hielo a las imperfecciones estructurales y a las pequeñas burbujas atrapadas en su estructura cristalina.

Observar el hielo a escala nanométrica es increíblemente difícil. Los débiles enlaces químicos entre las moléculas de agua pueden dañarse fácilmente con las fuentes de energía utilizadas para la obtención de imágenes a escala atómica, como los rayos X y los haces de electrones. "Se necesita aplicar mucha energía a la muestra para obtener señales a nivel atómico", afirma Du, del Laboratorio Nacional del Pacífico Noroeste en Richland, Washington. "Es realmente difícil estabilizar el hielo en las condiciones necesarias para la obtención de imágenes".

Para superar estos problemas, los investigadores desarrollaron una técnica que consistía en intercalar agua líquida entre dos membranas protectoras de carbono dentro de una celda criogénica. Al enfriar lentamente la celda con nitrógeno líquido a -180 ° C, crearon una película de hielo encapsulada de menos de unos pocos cientos de nanómetros de espesor. A continuación, el equipo trasladó el sándwich de cristal protegido a una cámara de vacío, necesaria para la obtención de imágenes, y capturó instantáneas en rápida sucesión con un microscopio electrónico de transmisión.

Luego vieron cómo se desarrollaba la magia.

Capturada en una imagen de microscopio electrónico de transmisión, se forma una nanoburbuja y crece hasta un diámetro de 10 a 20 nanómetros dentro del hielo cristalino.
J. Du et al/Nature Communications 2025

Burbujas de aire a escala nanométrica quedaron atrapadas durante la congelación; también se formaron nuevas burbujas, que se movieron, se encogieron, se fusionaron y se disolvieron, todo dentro del hielo sólido. "Lo fascinante es que, durante todo el proceso, el hielo se mantiene como un único cristal sólido", afirma Du. Tras un examen más detallado, los investigadores descubrieron que, en lugar de una superficie curva y lisa, las burbujas presentaban un patrón en zigzag con superficies planas repetidas a nivel atómico. "Eso es lo que se esperaría si se les da a las burbujas suficiente tiempo para asentarse, ya que las burbujas curvas desarrollan facetas para estabilizarse", explica.

Las mediciones confirmaron que estas burbujas de gas atrapadas no forzaron el cristal de hielo, lo cual podría causar fracturas. En cambio, la estructura se adaptó sorprendentemente bien a estos defectos, a diferencia de otros materiales como metales o cerámica. "El hielo se adapta bastante bien a las burbujas", afirma Du. La razón, explica, es que los enlaces químicos del agua la hacen extremadamente flexible y maleable, incluso en estado sólido. Las simulaciones por computadora confirmaron la tolerancia única del hielo a los defectos sin comprometer la integridad del cristal.

“Esperamos que este nuevo conocimiento nos oriente en los enfoques para prevenir la acumulación de hielo y cómo ocurre”, dice Du. Comprender la dinámica de cómo se forma, crece y recristaliza el hielo es importante para desarrollar estrategias de ingeniería que podrían inhibir la estabilización de los cristales en las alas de los aviones, las carreteras y otras superficies, así como durante la criopreservación de tejidos, donde los cristales podrían perforar células y membranas. Finalmente, los resultados podrían ayudar a conectar los puntos en los modelos de comportamiento de los glaciares, donde las burbujas a pequeña escala impactan el derretimiento y el movimiento a gran escala. “Lo que descubrimos es que el hielo no va a ser menos estable con burbujas en él”, dice Du.

Jungwon Park, químico de la Universidad Nacional de Seúl que estudia la dinámica de materiales a escala nanométrica, afirma que es emocionante ver una de las primeras imágenes de cristales de hielo a escala nanométrica a molecular, utilizando un nuevo método para proteger el hielo del entorno de imágenes de alto vacío. Su colega y colega químico Minyoung Lee señala que los hallazgos brindan "nuevas perspectivas y amplias oportunidades" para investigar los efectos en la interfaz líquido-sólido durante la cristalización.

"Todavía no estamos viendo cómo el agua se congela y se convierte en hielo", dice Du. "Pero este es el primer paso hacia ello".

Citas

J. Du et al . Imágenes de resolución molecular de hielo cristalizado a partir de agua líquida . Nature Communications . Publicado en línea el 25 de septiembre de 2025. doi: 10.1038/s41467-025-62451-0.

ME Wengrove et al . Derretimiento del hielo glaciar potenciado por la explosión de burbujas de aire . Nature Geoscience . Vol. 16, octubre de 2023, pág. 871. doi: 10.1038/s41561-023-01262-8.

Por Rachel Berkowitz​

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