Il superraffreddamento è il processo mediante il quale un liquido o un gas viene raffreddato oltre la sua temperatura di congelamento senza cristallizzarsi in un solido. In normali condizioni di congelamento, tali sostanze si congelerebbero in cristalli attorno a un nucleo di seme, un processo noto come nucleazione eterogenea. Quando non esiste un cristallo seme o un nucleo, la sostanza può rimanere liquida fino al punto di nucleazione omogenea, che avviene a una temperatura molto più bassa.
L’acqua pura congela a 32°F (0°C) ma può essere superraffreddata a -43.6°F (-42°C). Deve essere distillato affinché avvenga il sottoraffreddamento, perché la presenza di impurità creerebbe punti di nucleazione e consentirebbe la formazione di cristalli di ghiaccio. L’acqua superraffreddata si trasforma molto rapidamente in ghiaccio o fanghiglia quando incontra una sostanza sulla quale può formare dei cristalli. È anche possibile sottoraffreddare l’acqua oltre il punto di nucleazione omogenea, nel qual caso alla fine si solidifica in un tipo di vetro.
Molti tipi diversi di sostanze e soluzioni possono essere sottoraffreddati, rendendo il processo utile in una varietà di applicazioni. Ad esempio, le leghe metalliche superraffreddate vengono utilizzate nella produzione di nanostrutture di semiconduttori. Gli scaldamani istantanei, un prodotto commerciale popolare, producono calore dalla rapida cristallizzazione di una soluzione di acetato di sodio super raffreddata.
La soluzione di acetato di sodio supersatura utilizzata negli scaldamani viene creata riscaldando l’acqua in modo da poter sciogliere più acetato di sodio del normale. Questa miscela viene quindi superraffreddata a temperatura ambiente, rimanendo liquida quando normalmente cristallizzerebbe. Quando lo scaldamani viene schiacciato, il disturbo abbassa la barriera energetica alla cristallizzazione e il calore viene rilasciato quando si formano i cristalli.
Il sottoraffreddamento può essere ampiamente osservato in natura. Può succedere all’acqua sotto i ghiacciai, con conseguenti cambiamenti nel trasporto dei sedimenti e nella dinamica glaciale. Le goccioline d’acqua superraffreddate si formano spesso nelle nuvole ad alta quota e si cristallizzano in ghiaccio quando incontrano un oggetto solido. Questo fenomeno è responsabile della formazione di ghiaccio sulle ali degli aerei.
Anche molti organismi viventi utilizzano questo processo. Specie di alberi e insetti che vivono in climi freddi fanno affidamento su di esso per abbassare il punto di congelamento dei loro fluidi interni. Ciò produce tolleranza alle condizioni di congelamento e consente a questi organismi di sopravvivere a temperature estremamente fredde.
La ricerca ha dimostrato che il superraffreddamento avviene nei casi in cui la struttura di una sostanza è costituita da atomi in cluster pentagonali. I pentagoni non possono essere disposti geometricamente in modo tale da riempire completamente uno spazio cristallino, quindi la cristallizzazione non avviene. L’effetto intensificato di questo è stato dimostrato durante gli studi sulla crescita di strutture di nanofili sul silicio.