La nucleación del hielo inducida por nanopartículas de grafeno

 Referencia:

Joghataei M, Ostovari F, Atabakhsh S, Tobeiha N. Heterogeneous Ice Nucleation by Graphene Nanoparticles. Sci Rep. 2020 Jun 16;10(1):9723. doi: 10.1038/s41598-020-66714-2. PMID: 32546729; PMCID: PMC7298023.

Introducción

La nucleación del hielo, un fenómeno crítico en numerosos procesos naturales y tecnológicos, es influenciada significativamente por la presencia de partículas heterogéneas. Entre estas, los nanomateriales han capturado la atención de la comunidad científica debido a sus propiedades únicas. En particular, los nanopartículas de grafeno (GNPs) han demostrado tener un notable efecto sobre la nucleación heterogénea del hielo. Este artículo examina el estudio realizado por Joghataei et al. (2020), el cual investiga la nucleación del hielo inducida por nanopartículas de grafeno, proporcionando un análisis detallado de los mecanismos subyacentes y las implicaciones de sus hallazgos.

Metodología

El estudio emplea una combinación de técnicas experimentales y simulaciones por computadora para explorar cómo las nanopartículas de grafeno afectan la nucleación del hielo. Las nanopartículas de grafeno utilizadas fueron sintetizadas mediante un método de exfoliación, asegurando una alta pureza y un tamaño uniforme. Estas nanopartículas se dispersaron en una solución acuosa y se expusieron a condiciones de enfriamiento controlado para observar el proceso de nucleación del hielo.

Las técnicas experimentales incluyeron microscopia electrónica de transmisión (TEM) y microscopía de fuerza atómica (AFM) para caracterizar la morfología y la distribución de las nanopartículas. Además, se utilizó la calorimetría diferencial de barrido (DSC) para medir las temperaturas de nucleación y proporcionar datos cuantitativos sobre la eficiencia nucleante de las nanopartículas de grafeno.

Resultados y discusión

• Caracterización de las nanopartículas de grafeno: Las nanopartículas de grafeno, tras su exfoliación, mostraron una morfología laminar con dimensiones laterales promedio de 100 nm y un espesor de unas pocas capas atómicas. La alta relación de aspecto de estas nanopartículas sugiere una gran área superficial activa, lo cual es crucial para su interacción con las moléculas de agua.
• Eficiencia nucleante: Los experimentos de DSC revelaron que la presencia de nanopartículas de grafeno disminuyó significativamente la temperatura de nucleación del hielo en comparación con el agua pura. Las temperaturas de nucleación se redujeron en un rango de 3 a 5 grados Celsius, dependiendo de la concentración de las nanopartículas en la solución. Estos resultados indican que las GNPs actúan como potentes nucleadores de hielo.
• Mecanismos de nucleación: El análisis de la nucleación heterogénea del hielo sugiere que las nanopartículas de grafeno proporcionan superficies con baja energía libre interfacial, favoreciendo la formación de núcleos de hielo. La estructura hexagonal del grafeno, similar a la del hielo, facilita la ordenación de las moléculas de agua en una configuración cristalina. Además, la rugosidad superficial a escala nanométrica de las GNPs crea sitios preferenciales para la nucleación.
• Temperatura de Nucleación: Se observó que las GGON favorecen la formación de cristales de hielo en un rango de temperaturas comprendido entre -20 y -10 °C. Este rango de temperaturas es particularmente relevante para aplicaciones en climas fríos y en procesos industriales que requieren un control preciso de la formación de hielo.
• Comparación con otros nanomateriales: Para contextualizar los hallazgos, se comparó la eficiencia nucleante de las GNPs con otros nanomateriales comunes, como los nanotubos de carbono (CNTs) y las nanopartículas de óxido de silicio (SiO2). Se observó que las GNPs tienen una eficiencia nucleante comparable o superior a la de estos materiales, destacando su potencial en aplicaciones donde el control de la nucleación del hielo es crucial.
• Aplicaciones potenciales: La capacidad de las nanopartículas de grafeno para inducir la nucleación del hielo de manera eficiente tiene varias aplicaciones potenciales, incluyendo la mejora de la eficiencia de los procesos de congelación en la industria alimentaria, el diseño de materiales anticongelantes avanzados, y en la ingeniería de tejidos para criopreservación.

Conclusiones

El estudio de Joghataei et al. (2020) proporciona una visión detallada de cómo las nanopartículas de grafeno afectan la nucleación del hielo. Los resultados demuestran que las GNPs son nucleadores de hielo altamente eficientes, debido a su estructura única y sus propiedades superficiales. Este trabajo no solo amplía el entendimiento fundamental de la nucleación heterogénea del hielo, sino que también abre nuevas vías para la aplicación de nanomateriales en diversas industrias.

• Caracterización: Las GNPs tienen una morfología laminar con alta área superficial.
• Eficiencia nucleante: Las GNPs reducen significativamente la temperatura de nucleación del hielo.
• Mecanismos: La estructura hexagonal y la rugosidad superficial de las GNPs facilitan la nucleación del hielo.
• Comparación: Las GNPs muestran una eficiencia nucleante comparable o superior a otros nanomateriales.
• Aplicaciones: Potencial uso en la industria alimentaria, materiales anticongelantes y criopreservación.

Add Efectos de inyectar óxido de grafeno a altitudes de entre siete y diez kilómetros

La nucleación de hielo en la atmósfera es un proceso clave para la formación de nubes y precipitaciones. El uso de diferentes materiales para inducir este proceso ha sido investigado extensamente. El óxido de grafeno (GO) es un nanomaterial 2D que ha mostrado potencial en la formación de nanocristales de hielo debido a su alta superficie específica y a su capacidad para interactuar con las moléculas de agua.

Nucleación de Hielo: 

Es probable que el óxido de grafeno pueda inducir la nucleación de hielo en la atmósfera a esas altitudes, similar a cómo lo hacen el yoduro de plata y otros agentes nucleantes. La efectividad del GO en la nucleación de hielo se debe a su estructura y propiedades superficiales que facilitan la formación de núcleos de hielo.

Destrucción de Ozono: 

No hay evidencia directa en la literatura científica actual que indique que el óxido de grafeno cause la destrucción del ozono. Los procesos que dañan la capa de ozono suelen involucrar compuestos que liberan radicales halogenados, como los CFCs y otras sustancias que contienen cloro o bromo. El GO no contiene estos elementos y no se ha demostrado que participe en reacciones que liberen radicales halogenados.

Deshidratación de la Troposfera Superior: 

La nucleación de hielo puede afectar la humedad en la troposfera superior. Si el óxido de grafeno induce la formación de hielo, esto podría llevar a la formación de nubes de hielo (cirros) que pueden influir en el balance de radiación y la distribución de la humedad. Sin embargo, la deshidratación significativa de la troposfera superior sería un efecto indirecto y depende de múltiples factores, incluyendo la cantidad de material inyectado, las condiciones atmosféricas y la dinámica de las nubes.

En resumen, mientras que el óxido de grafeno podría inducir la nucleación de hielo si se inyecta a altitudes donde vuelan los aviones comerciales, no hay evidencia que sugiera que esto causaría la destrucción de ozono. La deshidratación de la troposfera superior podría ocurrir, pero sería un efecto secundario y dependiente de varios factores ambientales. La investigación en este campo es continua, y se necesita más estudio para comprender completamente las implicaciones a largo plazo del uso de nanomateriales en la modificación del clima.

Add ¿ La nucleación del hielo heterogéneo generalmente requiere una partícula de aerosol insoluble para servir como núcleo de hielo?

Sí, la nucleación del hielo heterogéneo generalmente requiere una partícula de aerosol insoluble para servir como núcleo de hielo. 

Este proceso puede iniciarse de varias maneras:

• Deposición directa de vapor de agua: En este caso, el vapor de agua se deposita directamente sobre la superficie de la partícula de aerosol y se congela sin pasar por una fase líquida intermedia.
• Congelación a través de un medio acuoso: Aquí, la partícula de aerosol actúa como un núcleo en una gota de agua superenfriada, promoviendo la formación de hielo dentro de la gota.
• Contacto: La nucleación se inicia cuando la partícula de aerosol insoluble entra en contacto con una gota de agua superenfriada, provocando la formación de hielo en el punto de contacto.
• Inmersión: En este mecanismo, la partícula de aerosol se encuentra inmersa dentro de una gota de agua superenfriada y actúa como un núcleo alrededor del cual se forma el hielo.
• Condensación: En este caso, el vapor de agua primero se condensa sobre la superficie de la partícula de aerosol formando una capa líquida superenfriada que luego se congela.

Cada uno de estos procesos implica la presencia de una partícula de aerosol insoluble que sirve como un núcleo de hielo eficiente, facilitando la transición del vapor de agua o agua líquida superenfriada a la fase sólida del hielo.