Gracias a la microscopía de fuerza atómica y a la espectroscopía de fotoelectrones inducida de rayos X, con cálculos de la teoría funcional de la densidad, físicos de la Universidad de Viena (Austria) han analizado el mineral feldespato, que es muy común en las rocas, y cómo, en forma de polvo atmosférico, contribuye eficientemente a la formación de nubes.
En un estudio que aparece en The Journal of Physical Chemistry Letters, la profesora Ulrike Diebold, del Instituto de Física Aplicada de la Universidad Técnica de Viena y directora del estudio, explica que su equipo estaba considerando varias ideas sobre por qué el feldespato es una semilla de nucleación tan efectiva, destacando que “podría deberse a los átomos de potasio que contiene o quizás a ciertos defectos en su estructura cristalina”.
El feldespato microclino (KAlSi₃O₈) es un mineral común con funciones importantes en el equilibrio ecológico de la Tierra, recuerdan estos investigadores en su estudio. Tiene un papel en los ciclos del carbono, el potasio y el agua, contribuyendo al secuestro de CO₂, la formación del suelo y la nucleación del hielo atmosférico.
Para comprender los fundamentos de estos procesos -subrayan-, “es esencial establecer la estructura atómica superficial de la microclina y su interacción con las omnipresentes moléculas de agua”.
Este trabajo presenta resultados a escala atómica sobre la superficie de menor energía de la microclina y su interacción con el agua, combinando investigaciones de vacío ultraalto, mediante microscopía de fuerza atómica sin contacto y espectroscopía de fotoelectrones de rayos X con cálculos de la teoría funcional de la densidad.
Formación de nubes
Una serie ordenada de hidroxilos unidos a silicio o aluminio se forma fácilmente en la superficie escindida a temperatura ambiente. Las distintas afinidades protónicas de estos hidroxilos -siempre según las conclusiones del trabajo- influyen en la disposición y orientación de las primeras moléculas de agua que se unen a la superficie, lo que tiene implicaciones potenciales para la posterior condensación del agua.
El feldespato constituye aproximadamente la mitad de la corteza terrestre. El polvo fino transportado por el aire influye en la formación de nubes. Las moléculas de agua se adhieren mejor al polvo de feldespato que a otras partículas. Los pequeños granos que flotan en la atmósfera se convierten así en excelentes semillas de nucleación, donde las moléculas de agua se pegan y se congelan, formando finalmente una nube.
No está claro por qué el feldespato tiene esta notable capacidad, pero al utilizar un microscopio de fuerza atómica altamente sensible, este equipo ha demostrado que la geometría única de su superficie proporciona el punto de anclaje perfecto para los grupos OH de hidrógeno y oxígeno y, posteriormente, para el agua.
En este microscopio, la superficie del cristal se escanea punto por punto con una punta fina. La fuerza entre la punta y la superficie produce una imagen de alta resolución, donde se puede determinar con precisión la posición de cada átomo.
«Colocamos un trozo de feldespato en la cámara de vacío del microscopio y lo dividimos por la mitad para obtener una superficie impecable y limpia», dice Giada Franceschi, primera autora del estudio. “Los resultados -reconoce- nos dejaron perplejos: las imágenes de la superficie parecían diferentes de lo que las teorías comunes predijeron”.
Semillas de nucleación
La causa se descubrió rápidamente: eran pequeñas inclusiones de agua en la roca. Cuando la piedra se rompe, se libera un poco de vapor de agua. Este vapor se adhiere a la superficie recién dividida y las moléculas de agua se rompen formando grupos hidroxilo (OH).
“Bajo el microscopio no se ve la superficie del feldespato en sí, sino una superficie cubierta de grupos hidroxilo. En la naturaleza, la superficie del feldespato también se cubre de una capa de hidroxilo”, puntualiza Franceschi.
Debido a la geometría del cristal de feldespato, estos grupos hidroxilo se colocan de una manera que los convierte en puntos de anclaje ideales para las moléculas de agua.
Las moléculas de agua pueden acoplarse a los grupos hidroxilo como bloques de construcción que encajan entre sí con precisión. Así, la capa de hidroxilo forma la conexión perfecta entre el feldespato y el agua que se adhiere en forma de hielo. “La unión se establece muy fácil y rápidamente y además es muy estable”, afirma la profesora Diebold.
“Para eliminar la capa de hidroxilo del feldespato, habría que calentarlo a altas temperaturas”, matiza para destacar que las simulaciones por ordenador también respaldan este hallazgo.
Los resultados proporcionan una idea de por qué cristales específicos de nuestra atmósfera se adecúan particularmente como semillas de nucleación formadoras de nubes.
Especialmente ante el cambio climático, es importante comprender mejor la física de la formación de nubes. “Y, a veces, como demuestra este estudio de la Universidad Técnica de Viena, es necesario profundizar en el mundo de los átomos”, termina diciendo Ulrike Diebold.
