Il vero motivo per cui il ghiaccio è scivoloso non è la pressione, ma la struttura molecolare del ghiaccio

Sappiamo tutti che il ghiaccio è scivoloso, e in molti pensano di sapere anche il perché: il peso del nostro corpo esercita una pressione sul ghiaccio (maggiore se siamo su dei pattini), che fonde localmente il ghiaccio formando un sottile strato di acqua liquida su cui si scivola. Per decenni si è creduto a questa spegazione del tutto logica e sensata: peccato che sia anche errata, o meglio incompleta. La vera spiegazione è più raffinata e, forse, proprio per questo più affascinante: ha a che fare con il fatto che la superficie del ghiaccio non è né solida né liquida, ma quasi-liquida.

La spiegazione classica sul perché si scivola sul ghiaccio non funziona

L'idea che la pressione fonda il ghiaccio è del tutto verosimile e basata su solidi fatti scientifici. È vero infatti che l'acqua si espande mentre ghiaccia, quindi comprimerla quando è ghiacciata tende a riportarla allo stato liquido. In termini tecnici, potremmo dire che la pressione abbassa la temperatura di fusione del ghiaccio, permettendo così che uno straterello superficiale possa liquefarsi anche a temperature abbastanza basse per rimanere solido in assenza di pressione. Il problema è che, calcoli alla mano, questa spiegazione non regge.

Facciamo i conti. Una persona di 70 kg con dei pattini da ghiaccio le cui lame poggiano sul ghiaccio per una superficie di circa 0,5 cm² (è molto poco, ma vogliamo essere ottimisti) esercita una pressione di circa 135 atmosfere: abbastanza, in teoria, per abbassare il punto di fusione del ghiaccio di 1 °C circa. L'effetto quindi c'è, ma vi sarà sicuramente capitato di notare che il ghiaccio è scivoloso anche senza pattini da ghiaccio. Sul ghiaccio scivoliamo anche con delle normali scarpe, cioè quando esercitiamo una pressione molto inferiore a quella necessaria per portare il punto di fusione anche solo a –1 °C. Ma c'è di più soprattutto: il ghiaccio è scivoloso anche a temperature bassissime. Per esempio, a –30 °C servirebbe una pressione enorme per fondere il ghiaccio, eppure – se siete mai stati in alta montagna d'inverno ve ne sarete accorti – a quelle temperature il ghiaccio è scivoloso.

Possiamo immaginare una spiegazione alternativa: quando il pattinatore fa scivolare la lama sul ghiaccio, l'attrito produce una quantità di calore sufficiente per fondere un sottile strato superficiale che permette di scivolare. Anche questa ipotesi è perfettamente logica e sensata, ma non spiega perché il ghiaccio è scivoloso anche quando ci stiamo praticamente fermi sopra.

Il vero motivo scientifico: lo strato quasi-liquido superficiale

La risposta corretta è più sorprendente: sulla superficie del ghiaccio esiste sempre uno strato di molecole d'acqua in uno stato intermedio tra quello solido e quello liquido, indipendentemente dalla pressione esterna o dalla temperatura. Questo strato, chiamato in inglese quasi-liquid layer (“strato quasi-liquido”) ha uno spessore di circa 70 nanometri – milionesimi di millimetro – poco sotto gli 0 °C, e pochi nanometri a –30 °C. È molto poco, ma quanto basta per rendere su scala molecolare la superficie del ghiaccio meno “solida” rispetto del ghiaccio propriamente detto.

Il motivo per cui esiste questo strato ha a che fare con la struttura molecolare del ghiaccio. All'interno di un cristallo di ghiaccio, ogni molecola d'acqua è circondata da altre molecole con cui forma legami idrogeno in tutte le direzioni. Le molecole sulla superficie, però, si trovano in una posizione scomoda: hanno legami solo verso il basso e verso i lati, ma non verso l'alto. Questa asimmetria le destabilizza, rendendole più mobili e disordinate rispetto a quelle interne. Da questo punto di vista, quindi, ci troviamo qui in una situazione più simile a quella di un liquido che di un solido.

Questo fenomeno fu ipotizzato per la prima volta dal fisico britannico Michael Faraday già nel 1859 (una delle più grandi menti scientifiche della sua epoca), ma per molto tempo rimase controverso e difficile da dimostrare sperimentalmente. Solo negli anni '90 del Novecento, grazie a tecniche di microscopia avanzata, i fisici hanno potuto osservare direttamente lo strato quasi-liquido e misurarne le proprietà. La riduzione dello spessore dello strato semi-liquido man mano che la temperatura si abbassa spiega anche perché più il ghiaccio è freddo, meno è scivoloso. Lo stesso principio spiega perché i ghiacciai riescono a scorrere lentamente sulle rocce sottostanti: alla base del ghiacciaio, dove la pressione è enorme e la temperatura relativamente alta, si forma uno strato d'acqua liquida che funziona da lubrificante naturale tra il ghiaccio e il suolo.

Attenzione: questa non è l'unica e sola spiegazione del perché sul ghiaccio si scivola. Pressione e attrito sicuramente giocano un ruolo, soprattutto nel caso dei pattinatori su ghiaccio. Però possiamo dire che la spiegazione completa richiede anche di tenere conto la complessa struttura molecolare della superficie libera del ghiaccio.

Quindi, la prossima volta che qualcuno vi spiega che i pattini funzionano perché il peso fa fondere il ghiaccio, potete rispondere che la faccenda è un po' più complicata, e che per capire il motivo di una cosa così apparentemente banale ci sono voluti, tra Faraday e i microscopi moderni, quasi centocinquant'anni!

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