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

Quasi duecento anni fa, James Thomson, ingegnere e fisico britannico, formulò l’idea che il ghiaccio sia scivoloso in quanto la pressione, l’attrito e il calore sciolgono la sua superficie, generando un sottilissimo strato d’acqua che funge da lubrificante. Questa spiegazione è presente in numerosi testi scolastici ed è stata trasmessa a innumerevoli 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 possa essere più complesso.

Il dipolo: carica positiva e negativa insieme

Per comprendere la questione, è necessario 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 presenta una maggiore carica elettrica negativa, mentre gli idrogeni risultano relativamente positivi. Questa asimmetria genera un dipolo, ovvero una molecola con due estremità elettricamente distinte. Nella forma liquida, le molecole d’acqua possono muoversi e ruotare liberamente.

Tuttavia, a temperature inferiori a zero gradi Celsius, l’acqua si trasforma in ghiaccio e le sue molecole si organizzano in una struttura rigida: il ghiaccio. Qui l’orientamento della polarità non è più indipendente come nel liquido, ma è vincolato dalla rete cristallina.

Un’interazione che altera 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 quelli presenti nel ghiaccio stesso.

Secondo le simulazioni al computer condotte da Martin Muser, professore di Fisica nell’ateneo tedesco, e dai suoi colleghi Achraf Atila e Sergey Sukhomlinov, questi contatti creano una condizione di frustrazione, un termine usato in fisica per descrivere una situazione in cui le forze coinvolte sono in conflitto tra loro e il sistema non riesce a mantenere l’ordine. Così, la rete si rompe e il ghiaccio diventa inizialmente amorfo, privo di struttura cristallina, e successivamente mostra localmente un comportamento liquido. Si forma, quindi, uno strato disordinato che provoca 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 ai -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 lavoro dimostra che le interazioni tra dipoli non svaniscono nemmeno in condizioni termiche estremamente rigide. 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 efficace.

Applicazioni per nuovi materiali

Queste scoperte non rappresentano solo una curiosità per pattinatori, sciatori e per chi ha avuto la sfortuna di scivolare su una superficie ghiacciata: ridefiniscono il modo in cui i fisici comprendono l’attrito e la lubrificazione. Comprendere che la scivolosità del ghiaccio è influenzata da interazioni molecolari apre nuove prospettive nello studio dei materiali. Tale evidenza potrebbe, ad esempio, favorire la progettazione di attrezzature sportive, pneumatici invernali o veicoli adatti a condizioni ghiacciate.