¿Por qué resbala el hielo? Un misterio de la física con dos siglos de antigüedad 

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¿Quién no se ha dado alguna vez un resbalón accidental sobre el hielo o la nieve? Sus propiedades deslizantes nos resultan completamente familiares, pero la explicación sobre la cualidad resbaladiza del hielo ha suscitado una polémica científica de casi dos siglos de antigüedad. Ahora, modelando el problema mediante la simulación molecular, nos ha sido posible acercarnos a la respuesta.

La importancia de descifrar el fenómeno

Los humanos utilizamos las propiedades deslizantes del hielo o la nieve desde tiempos inmemoriales. A veces como forma de ocio y otras como medio de transporte. En la antigua China, durante la dinastía Ming en el siglo XV, crearon una carretera de hielo para transportar planchas de mármol de centenares de kilos desde las montañas próximas hasta la Ciudad Prohibida de Pekín.

En la actualidad, el transporte sobre hielo tiene fines más mundanos y modestos, pero entender el origen de esta propiedad tan familiar sigue siendo importante, ya sea para mejorar las prestaciones de los deportistas en las olimpiadas o para garantizar la seguridad de los automóviles durante el invierno.

La controversia comenzó en la Inglaterra victoriana

Hace ya casi dos siglos que los científicos discuten sobre las causas que hacen del hielo un material tan resbaladizo, sin ponerse de acuerdo, en una apasionante controversia histórica que comenzó en Gran Bretaña en plena era victoriana.

Por esa época, el último glaciar de las islas británicas se había derretido hacía más de 10 000 años, y grandes científicos de la época se proponían entender las causas de su deslizamiento por las montañas. Entre otros intereses, esto era una buena oportunidad para estrenar la recién creada industria turística de las estaciones invernales.

Así, un equipo de geólogos, biólogos, físicos y botánicos formado por Huxley, Henslow, Tyndall y Hooker viajaron para estudiar in situ el comportamiento del hielo sobre el glaciar de Grindenwald, en Suiza, en el año 1856. En esta expedición acuñaron el término de regelación, la propiedad del hielo de derretirse y volver a congelarse fácilmente, que está en el origen de las primeras investigaciones sobre la fricción del hielo.

La capa lubricante del agua

De aquellos estudios surgió la hipótesis más aceptada, que supone que sobre la superficie del hielo hay una capa de agua derretida que hace las veces de lubricante. Pero, ¿cómo se forma esta capa de agua por debajo de la temperatura de fusión? Michael Faraday, famoso por sus estudios sobre el electromagnetismo, propuso a mediados del siglo XVIII que el derretimiento del hielo se produce de forma espontánea sobre su superficie incluso por debajo del punto de fusión. Pero esta hipótesis parecía contradecir los principios recién formulados de la termodinámica y no fue bien recibida.

Por las mismas fechas, James Thomson, el hermano mayor de Lord Kelvin, descubrió una de las más excepcionales propiedades del hielo: su capacidad de fundirse por efecto de la presión, justamente al contrario que la mayoría de las sustancias, que cristalizan al aumentar la presión.

Usando este concepto, John Joly y Osborne Reynolds, padres de la hidrodinámica, sugirieron que la presión ejercida por un patín sobre el hielo lo haría derretirse, permitiendo fácilmente su deslizamiento.

Casi un siglo después, en 1950, Philip Bowden, uno de los fundadores de la moderna ciencia de la tribología, o ciencia de la fricción, propuso que el derretimiento no se debía al aumento de la presión, sino al calor generado al deslizarse el patín sobre el hielo.

La observación de los átomos del hielo

El caso es que las modernas técnicas de observación de las superficies de los materiales, como la microscopía avanzada o la difracción de rayos-x, suelen realizarse en condiciones controladas de laboratorio, que distan mucho de las condiciones habituales a las que se desliza un patín sobre el hielo.

Para suplir los complicados experimentos de laboratorio, en nuestra investigación, desde la Universidad Complutense de Madrid, en colaboración con nuestros colegas de la Universidad Autónoma de madrid y la
Universidad Maria Curie-Skłodowska de Lublin, en Polonia, hemos simulado mediante ordenador el movimiento de los átomos mientras se desliza un sólido sobre la superficie del hielo. Esto nos permite ‘ver’ el movimiento individual de cada una de las moléculas del sistema como en una película y contar cuántas de ellas se han derretido.

Deslizamiento de un sólido sobre el hielo a escala molecular. Las moléculas de agua (en color rojo), forman un cristal de hielo que se aprecia por su apilamiento ordenado en capas. Espontáneamente en las proximidades de la superficie con el sólido (de color negro), el hielo se ha derretido, lo que se aprecia por su aspecto posiciones desordenado. Las moléculas en el centro del sólido y de la capa derretida las coloreamos en azul para apreciar cuánto se han desplazado al cabo de cinco mil millonésimas de segundo. Como se observa, al deslizar el sólido sobre el hielo, arrastra las moléculas de agua, lo que causa la fricción.
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Nuestros resultados, publicados en Proceedings of the National Academy of Science, muestran que Michael Faraday llevaba buena parte de la razón. En cuanto se pone el sólido en contacto con un cristal de hielo perfecto, se observa cómo inmediatamente se derriten las moléculas más próximas a su superficie, lo que indica que el hielo forma espontáneamente una capa de lubricación. Pero Thomson y Reynolds también tenían su parte de razón. En efecto, cuando comprimimos el sólido contra el hielo, observamos que la capa de agua líquida aumenta continuamente su espesor cuanto mayor es la presión.

Y aún hay más: en cuanto ponemos el sólido a deslizarse sobre el hielo, nos encontramos que si la fricción inicial es grande, el calor generado derrite un poco más la superficie, aumentando el espesor de la capa líquida y mejorando su lubricación, tal y como propuso Bowden.

El resultado es una bonita historia sobre el progreso científico. A veces al describir los avances de la ciencia hacemos como en las crónicas deportivas y nos fijamos solo en el autor del remate a gol, pero en verdad los avances son siempre el resultado de un esfuerzo continuado de toda una comunidad científica cuyas contribuciones quedan con frecuencia eclipsadas por la reputación de los autores más conocidos.

Todos tenían parte de razón

De esta manera, hemos encontrado que las claves principales del carácter resbaladizo del hielo son el fenómeno de fusión superficial propuesto por Faraday; la fusión paulatina por efecto de la presión, reminiscencia de la hipótesis de Thomson, y el derretimiento por causa de la fricción que propuso Bowden. Pero, al contrario que las hipótesis de Thomson y Bowden, estos fenómenos son todos procesos de fusión que afectan únicamente a la superficie del hielo y por eso pueden ocurrir incluso por debajo de su temperatura de fusión.

Esta combinación de factores dota a la superficie del hielo de una capa de agua autolubricante y autorreparable cuyo poder de lubricación se retroalimenta a medida que aumenta la velocidad de deslizamiento.

En los últimos tiempos, algunos expertos han puesto en duda el papel que puede jugar una capa de agua como lubricante del hielo. De hecho, el agua es un mal lubricante. Al ser muy fluida, cuando la ponemos entre dos junturas la elevada presión la expulsa, y las junturas quedan en contacto directo, generando mucha fricción. Por eso los lubricantes más empleados suelen ser líquidos viscosos y poco fluidos, como el aceite. En el caso del hielo, la cosa es muy distinta. Al mismo tiempo que la presión expulsa el agua, el hielo de la superficie se derrite y repara la pérdida, como un ejemplo del conocido principio de Le Chatelier.

Las tres hipótesis principales en litigio desde hace tanto tiempo son en verdad mutuamente compatibles y operan simultáneamente para dotar al hielo de esa cualidad tan resbaladiza que lo hace excepcional.

Luis González MacDowell recibe fondos de la Agencia Estatal de Investigación. Fue investigador visitante en la Universidad Maria Curie-Sklodowska de Lublin.