Relación entre el núcleo crítico y la temperatura para la formación de hielo a partir de agua sobreenfriada o vapor

PEREYRA, RODOLFO GUILLERMO; CARIGNANO, MARCELO ANDRÉS

Montevideo

Congreso; II Reunión Conjunta SUF-AFA; 2011

AFA

El crecimiento de hielo a partir de agua sobreenfriada requiere la formación espontánea de un núcleo o embrión a partir del cual la fase sólida crece hasta tomar tamaños macroscópicos. El tamaño crítico de este núcleo depende del grado de sobreenfriamiento. Para temperaturas cercanas a la temperatura de nucleación espontánea (235 K) el núcleo crítico es relativamente pequeño en comparación con el correspondiente a temperaturas apenas por debajo de la temperatura de fusión del hielo. En este trabajo investigamos, usando simulaciones de dinámica molecular, la relación entre el tamaño del núcleo crítico y el grado de sobreenfriamiento. Con el propósito de reducir el esfuerzo computacional, realizamos las simulaciones usando simetría cilíndrica. Es decir, estudiamos columnas de hielo inmersas en agua. Los resultados de las simulaciones son analizados en términos de la ecuación de Gibbs-Thomson, que a su vez permite estimar el tamaño del núcleo crítico para simetría esférica. Nuestros resultados explican la dificultad en observar nucleación espontánea de hielo en simulaciones atomísticas de agua en régimen súper frío, como así también la relativa facilidad con la cual agua pura puede ser sobreenfriada en el laboratorio bajo condiciones controladas. Este estudio se complementa con la determinación del tamaño crítico del núcleo para crecer a partir de la fase vapor. Resultados adicionales incluyen la mayor estabilidad del plano prismático principal sobre el secundario para las interfaces hielo/agua y hielo/vapor, y la preservación de la geometría hexagonal durante el crecimiento y derretimiento del hielo.