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

Quasi due secoli fa James Thomson, ingegnere e fisico britannico, propose l’idea che il ghiaccio sia scivoloso a causa della pressione, dell’attrito e del calore che fondono la sua superficie, generando uno strato sottilissimo d’acqua che funge da lubrificante. Questa spiegazione è presente in numerosi manuali scolastici ed è stata trasmessa a generazioni di studenti.

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

Il dipolo: carica positiva e negativa insieme

Per comprendere la questione, è necessario fare un passo indietro. L’acqua è formata da un atomo di ossigeno legato a due atomi di idrogeno, come indicato dalla formula H₂O. L’ossigeno presenta una carica elettrica negativa più intensa, mentre gli idrogeni appaiono relativamente positivi. Questa asimmetria genera un dipolo, ossia una molecola con due estremità elettricamente distinte. Nell’acqua, le molecole sono in grado di muoversi e ruotare liberamente.

Quando la temperatura scende sotto zero gradi Celsius, però, l’acqua si trasforma in solido e le sue molecole si organizzano in una struttura rigida: il ghiaccio. Qui l’orientamento della polarità non è più libero come nel liquido, ma è vincolato dalla struttura cristallina.

Un’interazione che rompe gli equilibri

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

Secondo le simulazioni al computer condotte da Martin Muser, professore di Fisica presso l’ateneo tedesco, insieme ai suoi colleghi Achraf Atila e Sergey Sukhomlinov, questi contatti generano una condizione di frustrazione, un termine che, in fisica, descrive una situazione in cui le forze coinvolte si trovano in conflitto tra loro e il sistema non riesce a mantenere un ordine. In questo modo la rete si rompe e il ghiaccio diventa inizialmente amorfo, privo di struttura cristallina, per poi mostrare localmente un comportamento liquido. Si forma, quindi, uno strato disordinato che produce l’effetto scivoloso.

Sciare a temperature estreme

Oltre a sfatare un paradigma che sembrava consolidato, il team chiarisce anche un altro aspetto. “Fino ad ora si pensava che sciare a temperature inferiori a -40 °C fosse impossibile perché, a tali temperature, non si sarebbe potuto formare il film liquido che lubrifica il contatto tra sci e ghiaccio“, spiega il professor Muser. “Tuttavia, il nostro studio dimostra che le interazioni tra dipoli persistono anche in condizioni termiche molto severe. Di conseguenza, nell’interfaccia tra le due superfici continua a formarsi una pellicola disordinata, con comportamento liquido, anche in prossimità dello zero assoluto”. È importante notare, però, che ciò non implica che si possa realmente sciare senza difficoltà. In condizioni così estreme, lo strato diventa, infatti, molto viscoso, più del miele, ostacolando un movimento fluido.

Applicazioni per nuovi materiali

Questi risultati non sono solo un’interessante curiosità per pattinatori, sciatori e per coloro che sono sfortunati a scivolare su una superficie ghiacciata: ridefiniscono il modo in cui i fisici comprendono l’attrito e la lubrificazione. E comprendere che la scivolosità del ghiaccio è determinata da interazioni molecolari apre nuove prospettive nella ricerca sui materiali. Tale evidenza potrebbe, ad esempio, contribuire alla progettazione di attrezzature sportive, pneumatici invernali o mezzi di trasporto adatti a ambienti ghiacciati.