Perché il ghiaccio è scivoloso?

Quando si sfreccia serenamente su una pista di pattinaggio o si incede goffamente lungo un sentiero, la superficie priva di attrito rivestita di ghiaccio può spesso riservare sorprese. Infatti, ciò che gli conferisce tale caratteristica è ancora avvolto nel mistero.

«La formazione del ghiaccio è un processo molto complesso che non incontra un consenso definitivo su quello che accade concretamente», spiega Ras, professore di fisica della materia soffice presso l’Università di Aalto, in Finlandia. «Sono numerosi i processi che si verificano dal livello microscopico a quello macroscopico, ognuno dei quali richiede un’apparecchiatura di studio specifica.»

Conoscere le proprietà del ghiaccio non è sufficiente poiché dobbiamo fare i conti con il fattore contraddittorio della capacità unica di trasformazione dell’acqua, che passa dallo stato solido a quello liquido e gassoso. In più, l’acqua si comporta in modo strano: a differenza della gran parte dei liquidi, si espande durante il congelamento, una caratteristica che permette all’acqua solida, come ad esempio iceberg e cubetti di ghiaccio, di galleggiare sull’acqua liquida.Per comprendere il ghiaccio, occorre in primo luogo liberarsi di alcune convinzioni errate. La maggior parte di noi si ricorderà dalle lezioni di fisica che l’acqua congela raggiungendo il suo punto di fusione pari allo zero termico. Eppure, non è proprio così, dichiara Ras.

«Si può aggiungere dell’acqua liquida pura in una bottiglia di plastica, riporla nel congelatore e tirarla fuori alcuni giorni dopo ed essere in grado di versarla, poiché l’acqua può rimanere liquida anche a temperature basse fino a -35 °C, uno stato denominato sopraffuso», spiega.

Il motivo risiede nel fatto che il ghiaccio ha bisogno di siti di nucleazione per formarsi, ossia di particelle minuscole quali minerali, polvere o una superficie ruvida nella parete del contenitore. «Chiunque abbia mai bevuto una birra Duvel dal suo apposito boccale saprà che sul suo fondo si creano bolle simili a quelle che affiorano dai camini delle acque profonde. Ciò avviene grazie alla nucleazione in prossimità della superficie rugosa incisa del boccale», afferma Ras.Un ulteriore punto da prendere in considerazione è che una superficie può essere definita scivolosa solo quando qualcosa vi entra in contatto. Sembra infatti che anziché diventare vittima della scivolosità, questa interfaccia ne sia la fautrice.

Il meccanismo responsabile è stato illustrato nel dettaglio solo di recente: l’attrito prodotto dal contatto tra uno stivale e una lastra di ghiaccio dà origine a uno strato sottile e sdrucciolevole di acqua interfacciale sopra al ghiaccio. Tale strato, più viscoso dell’acqua comune e appena un centesimo dello spessore di un capello, possiede proprietà di attrito tra lo stato solido e liquido.

Ulteriori ricerche hanno riscontrato che le molecole d’acqua in corrispondenza di questa interfaccia hanno legami deboli rispetto al ghiaccio, e quindi possono muoversi liberamente, analogamente al gas. «Le molecole d’acqua sembrano funzionare un po’ come i cuscinetti a sfera, permettendo lo spostamento facile, a volte fin troppo facile, sulla superficie di ghiaccio», chiarisce Ras.

Il terzo ingrediente principale della scivolosità è la velocità. Quando l’oggetto che viaggia sul ghiaccio lo fa velocemente, l’attrito e la pressione dell’interfaccia generano più calore, acuendo la produzione di acqua interfacciale, senza la quale, pattinare sul ghiaccio risulterebbe molto meno fluido.La scivolosità del ghiaccio ha contribuito a ispirare il progetto di Ras, SuperRepel, sostenuto dal Consiglio europeo della ricerca.

Il suo gruppo ha messo a punto una superficie di rivestimento allo scopo di repellere una serie di sostanze, dalla polvere alla neve. «Una volta trattate con il nostro rivestimento, che attualmente è il più idrorepellente e durevole in circolazione, le superfici idrofobiche risultanti saranno più semplici da tenere asciutte, pulite e prive di batteri», aggiunge Ras.

La loro metodologia è valsa al gruppo il premio per la ricerca Anton Paar. Al momento, il team sta passando in rassegna un ventaglio di applicazioni possibili, dalle pale delle turbine eoliche agli sci e ai materiali di imballaggio.

«Siamo giunti così lontano grazie al nostro interesse nel comportamento delle gocce d’acqua. Ciò ci ha fornito le competenze per analizzare in modo più approfondito il ghiaccio e altri fenomeni quale l’appannamento, che potrebbe giovare a diversi settori, dall’industria aerospaziale a quella automobilistica», osserva Ras.

Il meglio per proteggerci dal clima freddo. Mentre la morsa invernale continua a imperversare, ci auguriamo che tutto fili liscio.

Per saperne di più sulla ricerca condotta da Ras: Creazione di una nuova generazione di superfici estremamente scivolose