Sport invernali come lo sci, pattinaggio di velocità, pattinaggio artistico, e il curling richiedono le superfici scivolose di ghiaccio e neve. Sebbene sia ampiamente riconosciuto il fatto che la superficie del ghiaccio sia scivolosa, è lungi dall'essere completamente compreso. Nel 1886 John Joly, un fisico irlandese, offrì la prima spiegazione scientifica per il basso attrito sul ghiaccio; quando un oggetto - ad esempio un pattino da ghiaccio - tocca la superficie del ghiaccio la pressione di contatto locale è così alta che il ghiaccio si scioglie creando così uno strato di acqua liquida che lubrifica lo scorrimento. L'attuale consenso è che sebbene l'acqua liquida sulla superficie del ghiaccio riduca l'attrito di scorrimento sul ghiaccio, questa acqua liquida non viene fusa per pressione ma per attrito termico prodotto durante lo scorrimento.

Un team di ricercatori guidato dai fratelli Prof. Daniel Bonn dell'Università di Amsterdam e Prof. Mischa Bonn dell'MPI-P, hanno ora dimostrato che l'attrito sul ghiaccio è più complesso di quanto finora ipotizzato. Attraverso esperimenti di attrito macroscopico a temperature che vanno da 0 °C a -100 °C i ricercatori mostrano che - sorprendentemente - la superficie del ghiaccio si trasforma da superficie estremamente scivolosa alle temperature tipiche degli sport invernali, su una superficie ad alto attrito a -100 °C.

Per indagare l'origine di questa scivolosità dipendente dalla temperatura, i ricercatori hanno eseguito misurazioni spettroscopiche dello stato delle molecole d'acqua in superficie, e confrontati con simulazioni di dinamica molecolare (MD). Questa combinazione di esperimento e teoria rivela che esistono due tipi di molecole d'acqua sulla superficie del ghiaccio:molecole d'acqua attaccate al ghiaccio sottostante (legate da tre legami idrogeno) e molecole d'acqua mobili che sono legate solo da due legami idrogeno. Queste molecole d'acqua mobili rotolano continuamente sul ghiaccio, come minuscole sfere, alimentate da vibrazioni termiche.

All'aumentare della temperatura, le due specie di molecole di superficie vengono interconvertite:il numero di molecole d'acqua mobili aumenta a scapito delle molecole d'acqua che sono fissate alla superficie del ghiaccio. Sorprendentemente, questo cambiamento dovuto alla temperatura nella mobilità delle molecole d'acqua più alte sulla superficie del ghiaccio corrisponde perfettamente alla dipendenza dalla temperatura della forza di attrito misurata:maggiore è la mobilità in superficie, minore è l'attrito e viceversa. I ricercatori concludono quindi che - piuttosto che un sottile strato di acqua liquida sul ghiaccio - l'elevata mobilità delle molecole di acqua superficiale è responsabile della scivolosità del ghiaccio.

Sebbene la mobilità superficiale continui ad aumentare fino a 0 °C, questa non è la temperatura ideale per scivolare sul ghiaccio. Gli esperimenti mostrano che l'attrito è infatti minimo a -7 °C; la stessa identica temperatura è imposta alle piste di pattinaggio di velocità. I ricercatori mostrano che a temperature comprese tra -7 °C e 0 °C, scivolare è più difficile perché il ghiaccio diventa più morbido, facendo in modo che l'oggetto scorrevole scavi più a fondo nel ghiaccio.

I risultati sono pubblicati nel Journal of Physical Chemistry Letters .