Sublimación inversa: concepto y ejemplos
La sublimación inversa es un proceso termodinámico en el que ocurre un cambio de estado exotérmico desde un gas a un sólido sin primero convertirse en un líquido. También se le conoce por los nombres de sublimación regresiva, desublimación, o deposición; este último es el más utilizado en los textos escolares y enciclopédicos.
Se dice que la sublimación inversa es un proceso exotérmico porque las partículas gaseosas (átomos o moléculas) deben perder energía liberando calor hacia el entorno; de tal modo que se enfríen lo suficiente para formar cristales, solidificar o congelarse sobre una superficie.
La palabra ‘deposición’ (y no ‘depositación’) quiere decir que la partícula se deposita desde una fase gaseosa sin mojar la superficie receptora. Es por eso que los fenómenos de sublimación inversa los encontramos a menudo sobre objetos gélidos; tal como sucede con la escarcha depositada encima de las hojas o parajes invernales.
Frecuentemente se detecta dicha deposición por una fina capa de cristales; aunque también puede ser de un polvo o arcilla aparentes. Controlando este proceso pueden diseñarse nuevos materiales multicapas, donde cada capa consiste de un sólido en específico depositado por procesos químicos o físicos.
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La sublimación inversa, como su nombre por sí solo revela, es el fenómeno opuesto a la sublimación: no se parte de un sólido que se evapora, sino de un gas que solidifica o se congela.
Si se razona molecularmente, lucirá increíble el hecho de que un gas sea capaz de enfriarse, a tal punto que ni siquiera condense en primer lugar; es decir, que pase al estado líquido.
Un gas, altamente desordenado y difuso, de pronto logra reordenar sus partículas y establecerse como un sólido (cualquiera sea su apariencia).
Por sí solo esto le será cinética y termodinámicamente difícil, pues necesita de un soporte que reciba las partículas de gas y las concentre para que vayan interaccionando entre sí mientras pierden energía; es decir, mientras se enfrían. Es aquí donde participa la superficie expuesta al gas: servir como soporte e intercambiador de calor.
Las partículas de gas intercambian calor con la superficie más fría o gélida, por lo que se tornan más lentas y poco a poco se van formando los primeros núcleos cristalinos. Sobre estos núcleos, más fríos que el gas circundante, comienzan a depositarse otras partículas, las cuales se incorporan a su estructura.
El resultado final de este proceso es que sobre la superficie termina formándose una capa de cristales o de sólido.
Para que la sublimación inversa suceda, de ordinario, debe haber cualquiera de estas dos condiciones: la superficie en contacto con el gas debe tener una temperatura inferior a su punto de congelación; o el gas tiene que estar sobreenfríado, de tal modo que apenas toque la superficie se deposite al perturbar esta su meta estabilidad.
Por otro lado, también puede darse la deposición estando el gas caliente. Si la superficie está lo suficiente fría, la alta temperatura del gas se transferirá a este súbitamente y generará que sus partículas se adapten a la estructura de la superficie.
De hecho, hay métodos donde la superficie ni siquiera tiene que estar fría, ya que participa directamente en una reacción con las partículas gaseosas que terminan depositadas covalentemente (o metálicamente) sobre ella.
En la industria tecnológica se utiliza mucho una metodología que trabaja desde este principio y se le llama deposición química de vapor por combustión.
Cuando una cerveza están tan fría que al sacársele del refrigerador el cristal de su botella se recubre de blanco, se dice que está vestida de novia.
La botella de la cerveza ofrece la superficie necesaria para que las moléculas del vapor de agua, H2O, choquen y pierdan energía rápidamente. Si el cristal es de color negro, se notará cómo de la nada se emblanquece, y se le puede rasgar con la uña para escribir mensajes o hacer dibujos sobre ella.
A veces la deposición de la humedad del entorno es tal, que la cerveza luce recubierta de escarcha blanca; pero el efecto dura poco, porque al paso de los minutos se condensa y humedece la mano de quien la sostiene y bebe.
Similar a lo que sucede en las paredes de una cerveza, la escarcha se deposita en las paredes internas de algunos refrigeradores. Asimismo, estas capas de cristales de hielo se observa en la naturaleza a niveles del suelo; no cae del cielo a diferencia de la nieve.
El vapor de agua sobreenfríado choca con la superficie de las hojas, árboles, césped, etc., y termina cediéndoles calor, para así enfriarse y poder depositarse sobre ellos, y manifestarse en sus característicos y radiantes patrones cristalinos.
Hasta ahora se ha hablado del agua; pero, ¿qué hay de otras sustancias o compuestos? Si en una recámara hay partículas gaseosas de oro, por ejemplo, y se introduce un objeto gélido y resistente, entonces sobre él se depositará una capa de oro. De igual modo sucedería con otros metales o compuestos, siempre que no requieran un aumento de la presión o de un vacío.
Lo recién descrito se trata de un método llamado deposición física, y se utiliza en la industria de materiales para crear recubrimientos metálicos en piezas específicas. Ahora, el problema reside en cómo obtener los átomos gaseosos de oro sin un elevado consumo de energía, pues se requiere de temperaturas muy altas.
Es allí donde entra el vacío, para facilitar el paso del sólido al gas (sublimación), así como el uso de rayos de electrones.
Se suele citar el hollín sobre las paredes de las chimeneas como un ejemplo de deposición física; aunque, las finísimas partículas de carbono, ya en estado sólido, y suspendidas en el humo, sencillamente se depositan sin que experimenten cambio de estado. Esto conlleva al ennegrecimiento de las paredes.
Si hay reacción química entre el gas y la superficie, entonces se trata de una deposición química. Esta técnica es habitual en la síntesis de semiconductores, en el recubrimiento de polímeros por capas bactericidas y fotocatalíticas de TiO2, o para proveer un material de protección mecánica al recubrirlas con ZrO2.
Gracias a la deposición química pueden tenerse superficies de diamantes, tungsteno, telururos, nitruros, carburos, silicio, grafenos, nanotubos de carbono, etc.
Los compuestos que poseen el átomo M que quiera depositarse, y que son susceptibles además a descomponerse térmicamente, pueden ceder M a la estructura de la superficie para que se adhiera permanentemente.
Es por eso que suele acudirse a reactivos organometálicos, los cuales al descomponerse ceden los átomos del metal sin necesidad de obtenerlo de él directamente; es decir, no haría falta utilizar oro metálico, sino un complejo de oro para crear el deseado “chapado” dorado.
Nótese cómo el concepto inicial de sublimación inversa o deposición termina evolucionando de acuerdo a las aplicaciones tecnológicas.
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