Scoperto perché sul ghiaccio si scivola: c’entrano le interazioni molecolari

Quasi due secoli fa James Thomson, ingegnere e fisico britannico, teorizzò che il ghiaccio è scivoloso perché pressione, attrito, calore ne sciolgono la superficie, formando un sottilissimo strato d’acqua che agisce come un lubrificante. Una spiegazione riportata in tutti i manuali scolastici e trasmessa a generazioni di studenti.

Oggi un nuovo studio condotto dai ricercatori dell’Università del Saarland, in Germania, e pubblicato su Physical Review Letters, rimette in discussione questa interpretazione, suggerendo che il fenomeno sia più complesso.

Il dipolo: carica positiva e negativa insieme

Per capire la questione, bisogna fare un passo indietro. L’acqua è composta da un atomo di ossigeno legato a due atomi di idrogeno, come indicato dalla formula H₂O. L’ossigeno concentra una maggiore carica elettrica negativa, mentre gli idrogeni risultano relativamente positivi. Questa asimmetria crea un dipolo, cioè una molecola con due estremità elettricamente diverse. Nell’acqua, le molecole sono libere di muoversi e ruotare continuamente.

Sotto zero gradi Celsius, però, l’acqua passa allo stato solido e le sue molecole si dispongono in una struttura rigida: il ghiaccio. Qui l’orientamento della polarità non è più indipendente come nel liquido, ma risulta vincolato dal reticolo cristallino.

Un’interazione che rompe gli equilibri

Quando la suola di una scarpa, la lama dei pattini o gli sci entrano in contatto con il ghiaccio, i loro dipoli interagiscono con i dipoli del ghiaccio stesso.

Secondo le simulazioni al computer effettuate da Martin Muser, professore di Fisica nell’ateneo tedesco, e dai suoi colleghi Achraf Atila e Sergey Sukhomlinov, questi contatti danno luogo a una condizione di frustrazione, termine che, in fisica, indica che le forze in gioco entrano in conflitto tra loro e il sistema non riesce a mantenere l’ordine. Così la rete si rompe e il ghiaccio diventa prima amorfo, cioè senza struttura cristallina, e poi assume localmente un comportamento liquido. Si crea, quindi, uno strato disordinato che genera l’effetto scivoloso.

Sciare a temperature estreme

Oltre a confutare un paradigma che sembrava consolidato, il team chiarisce anche un altro aspetto. "Finora si riteneva che sciare sotto i -40 °C fosse impossibile perché, a temperature così basse, non avrebbe potuto formarsi il film di liquido che lubrifica il contatto tra sci e ghiaccio", spiega il professor Muser. "Tuttavia, il nostro lavoro evidenzia che le interazioni tra dipoli non scompaiono nemmeno in condizioni termiche molto rigide. Di conseguenza, nell’interfaccia tra le due superfici continua a formarsi una pellicola disordinata, con comportamento liquido, persino in prossimità dello zero assoluto”. Attenzione, però: ciò non significa che si possa davvero sciare senza problemi. A valori così estremi, lo strato diventa, infatti, molto viscoso, più del miele, impedendo uno scorrimento efficace.

Applicazioni per nuovi materiali

Queste scoperte non sono solo una curiosità per pattinatori, sciatori e per chi è malauguratamente scivolato su una superficie ghiacciata: ridefiniscono il modo in cui i fisici comprendono l’attrito e la lubrificazione. E sapere che la scivolosità del ghiaccio è determinata da interazioni molecolari apre nuove prospettive nello studio dei materiali. Tale evidenza potrebbe, per esempio, contribuire alla progettazione di attrezzature sportive, pneumatici invernali o di mezzi di trasporto idonei ad ambienti ghiacciati.