No es de extrañar, por tanto, que se llevaran a cabo análisis independientes que condujeron al descubrimiento de nanohojas de óxido de grafeno en el agua de lluvia.
Este estudio investigó el potencial de las «nanopartículas de óxido de grafeno», denominadas «GGON», como base para la nucleación del hielo, es decir, la formación de cristales de hielo.
Los investigadores observaron que las nanopartículas de GGON con un tamaño de entre 160 y 180 nanómetros favorecen la formación de cristales de hielo a temperaturas entre -20 y -10 °C.
El experimento se realizó en una cámara de niebla que simula las condiciones de las nubes de aerosol en la atmósfera terrestre.
Fig. 1. Microscopía de láminas de óxido de grafeno utilizadas en el estudio de (Joghataei, M.; Ostovari, F.; Atabakhsh, S.; Tobeiha, N. 2020).
Como se indica en el artículo, «más del 50 % de las precipitaciones en la Tierra se originan en la fase de hielo y las partículas que pueden actuar como núcleos de hielo (IN) son esenciales para la microfísica de las nubes y las precipitaciones.
En la actualidad, el ser humano intenta modificar las nubes para aumentar sus recursos hídricos y, en este contexto, se buscan aerosoles artificiales que contribuyan a la microfísica de las nubes mediante la siembra de nubes.
Así pues, las interacciones aerosol-nube y, en consecuencia, sus efectos sobre el tiempo, el clima y el cambio climático figuran entre los principales problemas medioambientales».
Esto confirma una vez más que la modificación de las nubes mediante inyecciones de aerosoles y su siembra son procedimientos habituales en la actualidad para maximizar las precipitaciones y, en consecuencia, modificar el clima.
El proceso de formación de cristales de hielo en la atmósfera se explica detalladamente : «La nucleación heterogénea del hielo requiere generalmente un PA (partícula de aerosol) insoluble que actúe como IN (núcleo de hielo) que inicia la fase de hielo mediante deposición directa de vapor de agua, congelación por medio acuoso y por contacto, inmersión o condensación de PA específicos».
En este caso, las nanopartículas de óxido de grafeno «GGON» actúan como partículas de aerosol AP.
Fig. 2. Formación de cristales de hielo a partir de nanopartículas de GGON en la línea a). En la línea b) se observa yoduro de plata (Agl) y, en la línea c), polvo de caolinita. (Joghataei, M.; Ostovari, F.; Atabakhsh, S.; Tobeiha, N. 2020).
Los investigadores señalan que el óxido de grafeno en forma de GGON tiene unas características ideales para la nucleación del hielo debido a sus estructuras bidimensionales y a sus propiedades térmicas y mecánicas, como demostraron en su experimento, con mejores resultados que otros materiales habitualmente utilizados para sembrar nubes de hielo, como el yoduro de plata y el polvo de caolinita.
Según los autores, «aunque el grafeno G es hidrófobo, el óxido de grafeno GO es hidrófilo, y la presencia de estas dos propiedades en paralelo favorece la nucleación del hielo».
Otro factor que favorece la nucleación del hielo es la ausencia o baja cantidad de carbono orgánico en el material, que influye positivamente en la cristalización.
Otros estudios confirman los resultados descritos anteriormente.
Por ejemplo, (Xue, H.; Lu, Y.; Geng, H.; Dong, B.; Wu, S.; Fan, Q.; Wang, J. 2019) afirman que la densidad de «grupos hidroxilo», también conocidos como HOPG (grafito pirolítico altamente orientado), incluido el grafeno, aumenta la actividad de nucleación del hielo.
Además, los autores hacen otras afirmaciones muy relevantes sobre la importancia de la formación de hielo en la atmósfera : «La formación de cristales de hielo es crucial en la ciencia atmosférica. Por ejemplo, los cristales de hielo permiten el intercambio de moléculas y partículas atmosféricas dentro del ecosistema.
Además, los cristales de hielo actúan como reactivos huéspedes que influyen en la concentración de ozono en la estratósfera».
Por otro lado, «las láminas de grafeno menos oxidadas pueden nucleificar el hielo de manera más eficiente», una propiedad también confirmada por (Hausler, T.; Gebhardt, P.; Iglesias, D.; Rameshan, C.; Marchesan, S.; Eder, D.; Grothe, H. 2018) y (Whale, T.F.; Rosillo-López, M.; Murray, B.J.; Salzmann, C.G. 2015).
Reflexiones finales
La nucleación del hielo en la atmósfera es un aspecto clave de la investigación climática, ya que permite controlar las precipitaciones y, en consecuencia, los cada vez más necesarios recursos hídricos.
El yoduro de plata y la caolinita están siendo sustituidos por nanomateriales 2D como el óxido de grafeno, que son más eficaces en la formación de nanocristales de hielo.
Las pruebas realizadas por (Joghataei, M.; Ostovari, F.; Atabakhsh, S.; Tobeiha, N. 2020) en una cámara de niebla que simula las condiciones de los aerosoles en la atmósfera a -20 °C son similares a las condiciones que pueden encontrarse en la troposfera a una altitud de entre 7 y 8 km.
A la altura a la que suelen volar los aviones comerciales, unos 10 km (en el límite de la troposfera con la tropopausa), la temperatura puede alcanzar los -60 °C.
Estos detalles son importantes porque «los cristales de hielo formados en la troposfera superior y la estratósfera inferior (troposfera superior UT/estratósfera inferior LS) pueden depositarse, reduciendo la humedad y provocando la deshidratación en la troposfera superior UT.
Esto tiene consecuencias para la distribución del vapor de agua y, en consecuencia, para el equilibrio radiativo, ya que el vapor de agua es el gas de efecto invernadero más potente. Las partículas de hielo de la tropopausa controlan el transporte de agua en la baja estratosfera LS, lo que a su vez influye en la composición química estratosférica.
Las superficies de los cristales de hielo pueden actuar como superficies heterogéneas en las reacciones de reducción del ozono y actuar como sumideros del ácido nítrico (HNO₃)».
En otras palabras, si se inyecta óxido de grafeno GO a una altitud de entre 7 y 10 km (troposfera superior y tropopausa), es decir, en la misma franja en la que suelen volar los aviones comerciales, no solo se genera nucleación de hielo, sino que también se provoca agotamiento del ozono y deshidratación en la troposfera superior.
En otras palabras, si es cierto que el óxido de grafeno GO se inyecta a una altura de entre 7 y 10 km (es decir, en la misma banda en la que suelen volar los aviones comerciales), no solo genera nucleación de hielo, sino que también provoca agotamiento del ozono y deshidratación de la troposfera superior.
Si se realizan pulverizaciones de óxido de grafeno en la troposfera, podrían perseguir varios objetivos : a) formación y siembra de nubes ; b) captación de precipitaciones y recursos hídricos ; c) modificación del clima/geoingeniería.
De hecho, en su estudio (Liang, H. ; Möhler, O. ; Griffiths, S. ; Zou, L. 2019), los autores concluyen lo siguiente : «Al observar la nucleación del hielo en compuestos PrGO-SN (óxido de grafeno poroso y dióxido de sílice) bajo E-SEM (microscopio electrónico de barrido), descubrimos que el compuesto poroso PrGO-SN demostraba el inicio de la nucleación del hielo a una temperatura más alta (-8 °C), así como un crecimiento rápido y continuo de los cristales de hielo.
Estos resultados contribuyen a una mayor comprensión de los factores que influyen en el proceso de nucleación heterogénea del hielo y ofrecen nuevas perspectivas sobre el diseño y la fabricación de materiales funcionales para la nucleación de hielo poroso, con posibles aplicaciones prácticas, como la potenciación de la lluvia y la formación de nubes mediante operaciones de siembra de nubes».
Esta afirmación demuestra claramente la intención de mejorar la lluvia mediante el método de nucleación de hielo con óxido de grafeno GO e incluso de medirla con drones especialmente preparados (Bieber, P.; Seifried, TM; Burkart, J.; Gratzl, J.; Kasper-Giebl, A.; Schmale, DG; Grothe, H. 2020).
Por lo tanto, no es de extrañar que se llevaran a cabo análisis independientes que condujeron al descubrimiento de nanohojas de óxido de grafeno en el agua de lluvia.
1.Bieber, P.; Seifried, TM; Burkart, J.; Gratzl, J.; Kasper-Giebl, A.; Schmale, DG; Grothe, H. (2020). A drone-based bioaerosol sampling system to monitor ice nucleation particles in the lower atmosphere. Remote Sensing, 12 (3), 552. https://doi.org/10.3390/rs12030552
2.Häusler, T.; Gebhardt, P.; Iglesias, D.; Rameshan, C.; Marchesano, S.; Eder, D.; Grothe, H. (2018). Ice nucleation activity of graphene and graphene oxides. The Journal of Physical Chemistry. 122 (15), pp. 8182-8190. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.7b10675
3.Knopf, DA; Alpert, PA; Wang, B. (2018). The role of organic aerosol in atmospheric ice nucleation: a review. ACS Earth and Space Chemistry, 2 (3), pp. 168-202. https://doi.org/10.1021/acsearthspacechem.7b00120
4.Li, JM; Chang, PH; Li, L.; Teo, CJ; Koo, a.C.; Duan, H.; Mai, VC (2018). Application of Graphene Oxide in Jet A-1 in Air to Enhance Combustion Process. En 2018 AIAA Aerospace Sciences Meeting. pp. 133. https://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/6.2018-0133
5.Liang, H.; Möhler, O.; Griffiths, S.; Zou, L. (2019). Enhanced Ice Nucleation and Growth by Porous Composite of RGO and Hydrophilic Silica Nanoparticles. The Journal of Physical Chemistry C, 124 (1), pp. 677-685.https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b09749
7.Xue, H.; Lu, Y.; Geng, H.; Dong, B.; Wu, S.; Fan, Q.; Wang, J. (2019). Hydroxyl Groups on the Graphene Surfaces Facilitate Ice Nucleation. The journal of physical chemistry letters, 10 (10), pp. 2458-2462. https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.9b01033
8.Zabarnick, S.; DeWitt, MJ; Striebich, RC; Gunasekera, TS; Ervin, JS; Brioni, AM; Harruff Miller, BA (2016). Catalytic routes for the conversion of lignocellulosic biomass to aviation fuel range hydrocarbons. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 120, 109612. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.109612
