El Rol de las Impurezas en la Nucleación del Hielo a Alta Presión

En condiciones de presión extrema, la presencia de impurezas iónicas altera significativamente la barrera de energía libre necesaria para la nucleación del hielo. Este estudio examina cómo el cloruro de sodio y el sulfato de calcio, en concentraciones traza, modifican la cinética de cristalización del agua sometida a tensiones mecánicas de hasta 200 MPa.

Los experimentos realizados en la cámara de presión del laboratorio de Física de Materiales de Crystension revelan que las impurezas actúan como sitios de nucleación heterogénea, reduciendo la sobresaturación requerida para la formación de los primeros cristales. Sin embargo, a medida que la concentración de impurezas supera el umbral de 0.1 M, se observa una inhibición del crecimiento cristalino debido al envenenamiento de las caras del cristal en formación.

Mediante microscopía de fuerza atómica in situ, se documentó que la morfología de los cristales de hielo formados en presencia de iones cloruro presenta una marcada anisotropía en el eje c, con un aplanamiento de las caras basales y un crecimiento preferencial en las direcciones prismáticas. Este comportamiento contrasta con la estructura hexagonal casi perfecta observada en agua ultrapura bajo las mismas condiciones de presión y temperatura.

Los resultados tienen implicaciones directas para la comprensión de los procesos de congelación en sistemas geológicos profundos, donde las aguas subterráneas contienen una variedad de solutos disueltos. Asimismo, ofrecen una base para el diseño de materiales con propiedades de congelación controlada en aplicaciones criogénicas.