La escarcha se propaga más lentamente en superficies superhidrofóbicas mediante «puentes de hielo» suspendidos
La escarcha es una molestia familiar, en los parabrisas de los coches, las serpentinas de los refrigeradores, las alas de los aviones y los intercambiadores de calor, pero la física de cómo se propaga tiene una sutileza importante que los ingenieros ahora pueden aprovechar. Un estudio publicado a principios de este año en Nature Physics y reportado el 9 de julio por Physics World revela que la escarcha no siempre crece a lo largo de la superficie. En los materiales superhidrofóbicos, salta a través del aire.
El descubrimiento, realizado por un equipo liderado por Siyan Yang y Nenad Miljkovic en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, junto con colegas de la Universidad de Ciencia y Tecnología de Beijing y la ETH Zúrich, derriba una suposición de larga data en la física de la escarcha: que los puentes de hielo, los finos conectores que unen las gotas de agua congeladas, siempre se forman a lo largo del sustrato.
Dos modos de crecimiento de la escarcha
Cuando las gotas de agua se congelan en una superficie fría, no se convierten simplemente en hielo en el mismo lugar. Cuando una gota se congela, el calor latente liberado durante la congelación hace que las gotas sobreenfriadas vecinas también comiencen a congelarse, conectadas por «puentes de hielo» en crecimiento, finos filamentos de hielo que se propagan desde la gota congelada a sus vecinas no congeladas. La velocidad y la geometría de esta propagación determinan qué tan rápido la escarcha cubre una superficie.
En las superficies hidrofílicas (ángulo de contacto por debajo de aproximadamente 90°), los puentes de hielo se forman como «calzadas» 2D que crecen a lo largo del sustrato. El puente está en contacto directo con la superficie, lo que permite una transferencia de calor eficiente y una propagación relativamente rápida.
En las superficies superhidrofóbicas, materiales diseñados para repeler el agua con ángulos de contacto superiores a 150 grados, el equipo descubrió un mecanismo fundamentalmente diferente. En lugar de crecer a lo largo de la superficie, los puentes de hielo se forman suspendidos sobre ella: filamentos 3D que se arquean a través del aire de una gota a la siguiente, tocando la superficie solo en las bases de las gotas.
El ángulo crítico
La transición entre los dos modos ocurre en un ángulo de contacto aparente crítico de aproximadamente 105°. Por encima de este umbral, el mecanismo de puente suspendido domina. El descubrimiento fue posible gracias a la imagen por desplazamiento del plano focal (FPSI), una técnica de perfilometría que reconstruye la estructura 3D a partir de una serie de imágenes 2D a diferentes profundidades focales. La microscopía óptica estándar comprime la dimensión vertical y no puede distinguir entre un puente que descansa sobre la superficie y uno suspendido sobre ella.
Una vez que el equipo supo qué buscar, las implicaciones se volvieron claras.
Propagación más lenta
Los puentes suspendidos se propagan más del 80% más lentamente que sus contrapartes ligadas a la superficie. Las razones son dobles: los puentes son más largos (deben arquearse a través del aire en lugar de seguir la superficie) e intercambian calor de manera menos eficiente con el sustrato (la capa de aire actúa como aislante térmico).
La importancia práctica se probó directamente. En intercambiadores de calor de tubos con aletas de tamaño métrico de aluminio, del tipo utilizado en sistemas de aire acondicionado, refrigeración y bombas de calor, la aplicación de un recubrimiento superhidrofóbico casi duplicó el tiempo de propagación de la escarcha y retrasó el inicio de la cobertura de escarcha.
Lo que esto significa para el diseño antihielo
El hallazgo proporciona una explicación mecanicista de por qué las superficies superhidrofóbicas han sido observadas durante mucho tiempo para suprimir la formación de escarcha, incluso cuando la física específica permanecía poco clara. Más importante aún, sugiere un principio de diseño: en lugar de centrarse únicamente en retrasar la nucleación inicial del hielo, que ha sido la estrategia antihielo dominante, las superficies pueden diseñarse para controlar la geometría del crecimiento de los puentes de hielo en sí, favoreciendo el modo suspendido más lento.
El trabajo fue apoyado por el Air Conditioning and Refrigeration Center (ACRC) de la UIUC y el International Institute for Carbon Neutral Energy Research (WPI-I2CNER) de la Universidad de Kyushu.
Traducido por Alessandra
Fuentes:
1. Yang, S., Chu, F., Ganesan, V. et al. “Growth and control of suspended ice bridges during sessile droplet freezing.” Nature Physics (2026). DOI: 10.1038/s41567-026-03296-2
2. Dumé, I. “Frost spreads across surfaces via suspended ‘ice bridges.'” Physics World, July 9, 2026. https://physicsworld.com/a/frost-spreads-across-surfaces-via-suspended-ice-bridges/