¿Por qué resbala el hielo?

Una nueva aproximación al misterio de por qué exactamente resbala el hielo ofrece una visión mucho más clara del mecanismo subyacente en este fenómeno.

Un equipo internacional liderado por la Universidad Complutense de Madrid (UCM) y en el que participa la Universidad Autónoma de Madrid (UAM), ambas en España, ha realizado una simulación por ordenador del deslizamiento de un sólido sobre una superficie de hielo a escala atómica, confirmando la presencia de una capa superficial autolubricante en dicha superficie. Además de para evitar accidentes deportivos o automovilísticos, conocer el funcionamiento de esa capa permite diseñar mejores lubricantes para otros sistemas y favorece el ahorro energético.

La superficie del hielo se derrite en contacto con un sólido, formando una capa de lubricante que se retroalimenta cuanto más peso y deslizamiento se ejerce sobre ella. Este fenómeno cooperativo vuelve al hielo más resbaladizo y propenso a accidentes en patinaje o automovilísticos, según la citada investigación internacional, en la que también ha participado la Universidad Marie Curie-Skłodowska (MCSU) de Lublin en Polonia.

“Analizando cómo las moléculas de hielo se organizan colectivamente hasta dotarlo de su peculiar poder lubricante, obtenemos una perspectiva privilegiada del proceso que no ha sido posible alcanzar mediante experimentos convencionales, ya que la observación experimental de la capa de lubricación con un espesor de una milmillonésima de metro es muy compleja”, destaca Luis González MacDowell, investigador del Departamento de Química Física de la UCM.

Las propiedades deslizantes del hielo se han aprovechado en ocasiones como forma de ocio (en patinaje sobre hielo, por ejemplo) y, en otras, otras como medio de transporte.

“Entender el origen de esta propiedad tan conocida del hielo es importante, tanto para mejorar las prestaciones de los deportistas en las olimpiadas como para garantizar la seguridad de los automóviles durante el invierno”, apunta el experto.

Hielo. (Foto: Amazings / NCYT)

Hipótesis compatibles que abren la puerta al ahorro energético

La ciencia se ha venido preguntando desde hace dos siglos por qué resbala el hielo y cuál es el origen de la capa líquida que se forma sobre él. A lo largo de las décadas, Michael Faraday, James Thomson, Osborne Reynolds o Philip Browden formularon hipótesis controvertidas entre sí.

Sin embargo, el nuevo estudio ha permitido demostrar que todas son en verdad compatibles y operan simultáneamente. “En efecto, encontramos 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, reminiscente de la hipótesis de Thomson; y el derretimiento por causa de la fricción que propuso Bowden”, puntualiza el químico de la UCM.

Esta combinación de factores dota a la superficie del hielo de una capa de lubricación autorreparable excepcional. “El problema de la lubricación es que cuando aumenta la presión se expulsa al lubricante de entre las junturas, quedando estas en contacto directo. En el caso del hielo, actúa el principio de Le Chatelier, y a medida que la capa de lubricación se escurre por presión, el propio hielo se derrite y repara la pérdida”, señala Lukasz Baran, investigador de la MCSU, quien trabajó la técnica de simulación durante una estancia de seis meses en la UCM.

Además de para prevenir accidentes deportivos y automovilísticos, los resultados de este trabajo pueden aplicarse para diseñar mejores lubricantes en otros sistemas. “No olvidemos que más de la mitad de la energía que se produce en el mundo se pierde por causa de la fricción. Mejorar los procesos de lubricación supondría un ahorro enorme de combustibles, dinero y coste medioambiental”, concluye Pablo Llombart, investigador del Instituto Nicolás Cabrera de la UAM.

El estudio se titula “Ice friction at the nanoscale”. Y se ha publicado en la revista académica Proceedings of the National Academy of Science (PNAS). (Fuente: UCM / UAM)