Lo que vemos en este video es que el agua se ha sobreenfriado y el hielo en el vaso proporciona un punto de nucleación para que el agua en la botella se convierta en hielo.
Cuando se dice que un líquido está sobreenfriado, significa que la temperatura del líquido está por debajo del punto de solidificación (temperatura de congelación) pero todavía está en forma líquida. Esto ocurre cuando el líquido es de alta pureza y no tiene sitios en los que pueda iniciarse la solidificación, lo que se conoce como sitio de nucleación.
Cuando un líquido pasa de un líquido a un sólido, los átomos o moléculas (moléculas de H2O en este caso) deben reorganizarse desde el estado aleatorio y desordenado de un líquido a un estado regular y ordenado de un sólido. Esto a menudo requiere un sitio de nucleación en el que el cristal puede comenzar a formarse: en el agua, puede ser un cubo de hielo o incluso una mota de polvo.
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Una vez que el cristal de hielo se nuclea, si el líquido se sobreenfría, quiere transformarse activamente en el estado sólido y, por lo tanto, puede congelarse (solidificarse) muy rápidamente. En el video, observa que el hielo se congela progresivamente, como se esperaría en una situación típica de crecimiento de cristales.
Todo el fenómeno puede explicarse fácilmente utilizando la termodinámica, que explicaré brevemente. Una vez que el líquido se sobreenfría por debajo del punto de fusión del sólido, hay una gran “fuerza impulsora” para que el líquido pase al estado sólido. Sin embargo, hay una ‘barrera de energía’ que se debe superar para que el líquido comience a congelarse: los agentes de nucleación (polvo, impurezas) en el agua típicamente bajan esta barrera, permitiendo que el líquido se solidifique a alrededor de 0 grados centígrados.
Lo que vemos en el video es agua pura y limpia, que está a una temperatura inferior a 0 grados centígrados. Cuando esta agua sobreenfriada toca el hielo (un sitio para la nucleación del sólido), la fuerza impulsora es mayor que la barrera de energía, obligando al agua a minimizar su ‘energía libre’ solidificándose en hielo. Debido a que la fuerza motriz es alta, y en la interfaz agua-hielo la barrera de energía es bastante baja, la tasa de solidificación resultante es rápida.
