Cristales de Hielo

Ah, se acerca la navidad y aquí en el imperio ya estamos celebrando con algunas entradas navideñas (por ejemplo esta sobre el santa claus cuántico).  Hoy me siento lleno de espíritu navideño, y para celebrar les quiero hablar sobre uno de los temas que me parecen más fascinantes de la navidad: Los cristales de hielo.

En particular les hablaré de la física que hay detrás de los cristales de hielo. ¿Cómo crecen en la atmósfera? ¿Por qué tienen esa simetría hexagonal? ¿Por qué crecen con tanta diversidad de formas? ¿Es cierto que no existen dos copos de nieve iguales?

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Para empezar, primero necesitamos entender en términos generales ¿Qué son los cristales?

Básicamente, los cristales son sólidos cuya principal característica es estar formados por arreglos atómicos que se repiten una y otra vez en todas direcciones, al igual que los patrones en un tapete. Estos arreglos pueden tomar muchas formas distintas, por ejemplo cubos, paralelepípedos, hexágonos, agujas, etc… Los átomos se acomodan en estas formas por que son las configuraciones más simples, o mejor dicho, son las configuraciones que requieren menos energía.

Estos arreglos microscópicos son los que le dan muchas de sus características al cristal, sino es que todas. Un ejemplo notable es la forma de la superficie del cristal. Por ejemplo, los cristales de cuarzo tienen muchas caras mirando a distintos lados y aparentemente no siguen ninguna especie de patrón. Sin embargo si miramos con cuidado, notaremos que siempre existe un ángulo de 120° entre dos caras vecinas. Esto es producto de su arreglo atómico, donde los átomos se arreglan en formas hexagonales. Otro ejemplo es la sal de mesa, que tiene ángulos de 90° entre caras vecinas, producto del arreglo cubico de sus átomos.

Quizá las caras de un cuarzo no formen un hexágono, pero el ángulo entre sus caras lo delata

Quizá las caras del cuarzo no formen un hexágono perfecto, pero el ángulo entre sus caras lo delata

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Cubitos de sal bajo el microscopio

Esto se debe a que el arreglo microscópico favorece el crecimiento del cristal en ciertas direcciones, donde los átomos o moléculas pueden formar enlaces con facilidad. De hecho esas direcciones de crecimiento favorable por lo general son las zonas del arreglo donde hay más rugosidad, pues en dichas zonas hay más superficie para que los átomos y moléculas se agarren. Como resultado los cristales crecen hasta tener caras planas. A esto se le llama “crecimiento por facetas”.

Crecimiento por facetas en un cristal con simetría cuadrada

Crecimiento por facetas en un cristal con simetría cuadrada.

Todos los cristales de hielo (como el que aparece al inicio de la entrada) tienen simetría hexagonal, así que como podrán sospechar, las moléculas de agua en su estructura interna se acomodan en hexágonos. Aquí puede que algunos lectores abusados empiecen a protestar. -¡Oye! a mi me dijeron en mis clases de química que el ángulo que separa los átomos de hidrógeno en el agua era de 104.5° y para formar un hexágono necesito que ese ángulo sea de 120° ¿qué pasa?

Esa es una muy buena observación. Lo que ocurre son dos cosas. Primero, ese ángulo varía dependiendo del estado en el que se encuentre el agua, en particular para el hielo son aproximadamente 109°. Segundo, los hexágonos que se forman en el hielo no se encuentran en un solo plano. Como pueden observar en la siguiente imagen, si miramos el arreglo desde otra inclinación veremos que algunas moléculas de los hexágonos están un poquito más arriba y otras un poquito más abajo. En otras palabras, los hexágonos que forman a los cristales de hielo no son hexágonos perfectos, debido a que no se encuentran en un solo plano.

Arreglo hexagonal de los cristales de hielo

Arreglo hexagonal de los cristales de hielo.

Otro punto muy importante para poder describir a los cristales es el enlace químico que une a sus átomos o moléculas. Conociendo el tipo de enlace que tiene un cristal se pueden explicar, entre otras cosas, bajo que condiciones se forman. Un ejemplo de enlace químico es el enlace covalente, en el que los átomos se unen compartiendo sus electrones.  De hecho el enlace covalente es uno de los enlaces más poderosos que hay. Este enlace se puede encontrar por ejemplo entre los carbonos que forman un diamante, lo cual le confiere su característica dureza. Sin embargo, para lograr estos enlaces el carbón debe ser sometido a temperaturas y presiones extremas por millones de años en el manto terrestre.

En el hielo la situación es menos extrema, debido a que el enlace que une a las moléculas de agua entre si es mucho muchísimo más débil. Estos enlaces son los famosos puentes de hidrógeno, donde se unen el hidrógeno de una molécula con el oxigeno de otra. En este tipo de enlace no se comparten electrones ni cosas así, simplemente hay un exceso de carga negativa en los oxígenos que es atraída por un exceso de carga positiva en los hidrógenos. Los puentes de hidrógeno se dan con mucha facilidad y por lo tanto permiten a los cristales de hielo crecer con una rapidez que envidiarían muchos otros cristales.

Los cristales de hielo caen en una gran diversidad de formas que van desde la famosa formación con dendritas, hasta formas parecidas a delgadas agujas. Por supuesto, se ha intentado clasificarlos en varias ocasiones desde hace siglos, sin embargo el primer intento serio por clasificar estos cristales usando pruebas de laboratorio fue realizado por el físico japonés Ukichiro Nakaya, por ahí de los años 30’s. Entre sus resultados observó que las diferentes formas de los cristales dependían fuertemente de las condiciones de humedad y temperatura en el ambiente. Sus observaciones se pueden representar en un bonito diagrama como el siguiente:

Diagrama que muestra la morfología de los cristales y su dependencia de la humedad y temperatura

¡Miren nada más cuantas formas!

Algo que se puede observar del diagrama es que esta dependencia es ¡demasiado sensible! A una temperatura de 0°C y supersaturación  de 0.2 (la saturación es una medida de la humedad en el aire) tenemos cristales con dendritas. Bajamos la temperatura 5 grados y ¡bam! ahora los cristales crecen como agujas. ¿A qué se debe tanta sensibilidad por las condiciones exteriores? En realidad nadie lo sabe.

Por suerte los cristales de hielo individuales son lo suficientemente pequeños como para que las condiciones de humedad y temperatura sean iguales sobre toda su superficie. Por esta razón, los cristales de hielo tienen una simetría casi perfecta sobre cada una de sus ramas.

Pero esto es en el laboratorio, en vida real es claro que los cristales no se van a quedar en una zona con humedad y temperatura constantes. La forma final de un cristal dependerá bastante de las zonas de la nube por las que haya pasado. Quizá en un momento el cristal empiece a desarrollar unas dendritas, luego estas sean cubiertas por una placa, quizá luego desarrolle un poco la profundidad de sus caras o muchas cosas más. Al final, cada zona de la nube por la que haya pasado el cristal dejará una huella sobre su superficie, escribiendo así la historia de su complejidad. (¡Que bonito! :3)

Bien dicen que no existen dos copos de nieve iguales.

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Referencias y para leer más:

Les recomiendo mucho la siguiente página, escrita por uno de los expertos en el tema de crecimiento de cristales de hielo. Está muy completa, y mucho de lo que expliqué aquí viene ahí explicado aún mejor. Aunque no sepan ingles, igual podrán disfrutar las fantásticas fotos que tiene entre sus galerías. ¡Muy recomendable!

Kenneth G. Libbrecht. SnowCrystals.com

Nos vemos hasta el próximo año.

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3 comentarios el “Cristales de Hielo

  1. Pingback: Existe hielo que no flota en el agua. |

  2. Pingback: Cristales de hielo – Foto de la semana 3 |

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