El sobreenfriamiento es el proceso mediante el cual un líquido o gas se enfría más allá de su temperatura de congelación sin cristalizar en un sólido. En condiciones normales de congelación, estas sustancias se congelarían en cristales alrededor de un núcleo de semillas, un proceso conocido como nucleación heterogénea. Cuando no existe un núcleo o un cristal semilla, la sustancia puede permanecer líquida hasta el punto de nucleación homogénea, que ocurre a una temperatura mucho más baja.
El agua pura se congela a 32 ° F (0 ° C) pero se puede sobreenfriar a -43.6 ° F (-42 ° C). Debe destilarse para que se produzca el sobreenfriamiento, porque la presencia de impurezas crearía puntos de nucleación y permitiría la formación de cristales de hielo. El agua superenfriada se transforma muy rápidamente en hielo o aguanieve cuando encuentra una sustancia en la que puede formar cristales. También es posible sobreenfriar el agua más allá del punto de nucleación homogénea, en cuyo caso eventualmente se solidifica en un tipo de vidrio.
Se pueden sobreenfriar muchos tipos diferentes de sustancias y soluciones, lo que hace que el proceso sea útil en una variedad de aplicaciones. Por ejemplo, las aleaciones metálicas superenfriadas se utilizan en la producción de nanoestructuras semiconductoras. Los calentadores de manos instantáneos, un producto comercial popular, producen calor a partir de la rápida cristalización de una solución de acetato de sodio superenfriada.
La solución de acetato de sodio sobresaturado que se usa en los calentadores de manos se crea calentando agua para que se pueda disolver más acetato de sodio de lo habitual. Luego, esta mezcla se sobreenfría a temperatura ambiente, quedando líquida cuando normalmente cristalizaría. Cuando se aprieta el calentador de manos, la perturbación reduce la barrera de energía a la cristalización y el calor se libera a medida que se forman los cristales.
El sobreenfriamiento se puede observar ampliamente en la naturaleza. Puede sucederle al agua debajo de los glaciares, lo que resulta en cambios en el transporte de sedimentos y la dinámica de los glaciares. Las gotas de agua superenfriadas a menudo se forman en nubes a gran altitud y se cristalizan en hielo al encontrar un objeto sólido. Este fenómeno es responsable de la formación de hielo en las alas de los aviones.
Muchos organismos vivos también utilizan este proceso. Las especies de árboles e insectos que viven en climas fríos dependen de él para reducir el punto de congelación de sus fluidos internos. Esto produce tolerancia a las heladas y permite que estos organismos sobrevivan a temperaturas extremadamente frías.
La investigación ha demostrado que el sobreenfriamiento tiene lugar en los casos en que la estructura de una sustancia está formada por átomos en grupos pentagonales. Los pentágonos no pueden disponerse geométricamente de tal manera que llenen completamente un espacio cristalino, por lo que la cristalización no ocurre. El efecto aumentado de esto se ha demostrado durante estudios sobre el crecimiento de estructuras de nanocables en silicio.