Un reciente estudio realizado por la Universidad de Saarland ha puesto en tela de juicio una idea casi bíblica en la física: la creencia de que el hielo resbaladizo se debe principalmente a la presión o al rozamiento que funden su superficie. En cambio, los investigadores han descubierto que lo que realmente hace que perdamos el equilibrio cuando pisamos hielo es la interacción entre los dipolos moleculares del hielo y los dipolos de la superficie que lo toca, como puede ser la suela de un zapato o el canto de un cuchillo. Esas interacciones provocan que la estructura cristalina ordenada del hielo se desordene en su cara más externa y forme una fina capa lubricante líquida (o cuasilíquida) incluso cuando la temperatura está muy por debajo del punto de congelación.

El estudio incluye simulaciones computacionales bastante precisas que muestran que ni la presión ni el calor generado por fricción son capaces de explicar completamente este fenómeno, especialmente a temperaturas muy bajas. También se ha observado que esa capa formada por dipolos puede existir hasta cerca del cero absoluto, aunque su viscosidad se incrementa mucho, lo que la hace poco práctica para cosas como el esquí a temperaturas extremas.

Un error de siglos: la teoría clásica y sus límites

Durante casi doscientos años, la explicación enseñada en las clases de física señalaba que el hielo se volvía resbaladizo porque la presión ejercida por algo encima de él (como zapatos, hielo invertido, cuchillas de patín) bajaba el punto de fusión del mismo, derritiendo una pequeña porción superficial. Otra versión decía que al deslizar algo sobre hielo, la fricción generaba calor suficiente para fundir la superficie. Ambas teorías parecían razonables, sobre todo en inviernos no exageradamente fríos o para superficies y velocidades comunes.

No obstante, las recientes simulaciones hechas por Martin Müser y su equipo en Saarland muestran que en muchos casos no hay suficiente presión para alcanzar el punto de derretimiento y que la fricción no genera calor suficiente en milisegundos como para fundir la superficie del hielo frío. En particular, se vio que bajo temperaturas muy bajas, por ejemplo −40 °C o más frías, la capa líquida teórica gracias a presión o calor prácticamente no se justificaría, pero sin embargo sigue existiendo una capa lubricante observable en condiciones de simulación que replica contacto entre superficies. Esto indica que algo más fino y molecular estaba en juego.

La explicación de los dipolos moleculares

El “producto” central del estudio es la propuesta de que los dipolos moleculares son los verdaderos responsables de que el hielo sea resbaladizo. Un dipolo molecular surge cuando una molécula tiene regiones con carga parcial positiva y parcial negativa —como en el agua, donde el átomo de oxígeno tiene carga parcial negativa y los átomos de hidrógeno carga parcial positiva— creando una polaridad interna. En hielo, las moléculas de agua se estructuran en una red cristalina ordenada bajo cero grados, con los dipolos alineados según reglas del cristal.

Cuando una superficie externa que también tiene dipolos —una suela, un material sintético o metálico, lo que toque— entra en contacto con el hielo, esos dipolos interactúan. No se alinean perfectamente; se genera “frustración” en física, lo que significa que fuerzas competidoras impiden una configuración ordenada estable. Esa frustración altera la estructura cristalina superficial, provocando que la capa de moléculas más externa se vuelva desordenada, amorfa, y se comporte similar a un líquido.

Las simulaciones detalladas muestran que el grosor de esta capa cuasilíquida puede estar presente incluso a temperaturas muy frías, con viscosidades tan altas como la de la miel cuando el hielo está extremadamente por debajo de cero —aun así esa capa existe, aunque no sea muy fluida. Este hallazgo redefine lo que se considera “derretimiento superficial” y exige revisar modelos térmicos y mecánicos usados en física de superficies, ciencia de materiales y climatología.

Implicaciones prácticas y científicas

Este redescubrimiento de lo que hace que el hielo resbale tiene varias consecuencias importantes. En primer lugar, abre la puerta a repensar el diseño de suelas de calzado, neumáticos, cuchillas de patines, esquís, etc., priorizando materiales con ciertos tipos de dipolos o recubrimientos que interfieran menos con los dipolos del hielo, para reducir la capa amorfa que actúa como lubricante.

En segundo término, tiene impacto en seguridad vial en zonas donde existen heladas frecuentes, pues mejora la comprensión de cuándo y por qué el hielo será resbaladizo, no solo en función de la temperatura o presión, sino también del material de contacto, su estructura molecular, su polaridad.

En ciencia básica, este estudio —publicado en Physical Review Letters— también cuestiona explicaciones previas para fenómenos de fricción entre el hielo y otras superficies, y señala que el efecto de la presión y la fricción se han sobrevalorado en algunos modelos. Investigaciones futuras deberán cuantificar exactamente cómo varía la viscosidad de esa capa cuasilíquida con la temperatura, determinar el umbral de “frustración” dipolar, medir la conductividad térmica, la absorción de calor, la reflexión de radiación, etc.

Datos técnicos

• Las simulaciones computacionales muestran que la capa lubricante se forma incluso cuando la presión es insignificante, lo que descarta como factor principal la presión elevada para derretir superficialmente el hielo.

• Se observan estructuras cristalinas ordenadas bajo cero grados Celsius, con dipolos orientados, pero la interacción con dipolos externos induce desorden en la superficie inmediata.

• La temperatura crítica donde esa capa “se vuelve muy viscosa” se aproxima a −40 °C, aunque ya está presente algo similar incluso a menores temperaturas, aunque con movilidad molecular muy reducida.

• Las fuerzas dipolo-dipolo implicadas son de tipo eléctrico en pequeña escala, capaces de romper el orden cristalino superficial sin necesidad de calentar o comprimir excesivamente.

Comparaciones con teorías previas

Muchos textos de física antigua (y moderna) utilizaban el modelo de pressure melting (derretimiento por presión) propuesto por James Thomson (hermano de Lord Kelvin), y la idea de que el calor de fricción pudiera generar fusión localizada. Estas teorías explicaban ciertas observaciones, como que bajo temperaturas cercanas al punto de congelación el hielo era muy resbaladizo o que al patinar la superficie parecía “mojada”.

Pero, como reporta ScitechDaily, el nuevo estudio “overturns 200-year-old physics theory”, descartando presión y fricción como mecanismos clave.

Otra publicación en Earth.com subraya que científicos hallaron que los dipolos en la superficie del hielo y los de los materiales que lo tocan cooperan para desordenar la estructura cristalina superficial sin necesidad de elevar la temperatura o aumentar la presión.

Y según Phys.Org, la investigación fue publicada en Physical Review Letters y los autores incluyen a Achraf Atila y Sergey Sukhomlinov, trabajando con Martin Müser, quienes caracterizan el fenómeno como “Cold Self-Lubrication of Sliding Ice”.

Reflexiones adicionales

Este redescubrimiento nos recuerda que incluso fenómenos que hemos dado por sentado por siglos pueden tener explicaciones más sutiles o distintas. El hielo resbaladizo ya no parece simplemente un tema de temperatura, presión o calor, sino de cómo moléculas muy pequeñas interaccionan entre sí y con materiales externos a escala nanométrica.

En muchos escenarios prácticos las diferencias pueden parecer menores, especialmente cuando las temperaturas están cerca de cero, pero podrían ser críticas cuando se trabaja en condiciones extremas: en zonas polares, sobre superficies metálicas, al diseñar calzado para invierno, equipamiento de seguridad, pavimentación antideslizante, e incluso en aplicaciones aeroespaciales o de robótica en ambientes helados.

También vale destacar que este estudio sugiere que los modelos climáticos que consideran fusión superficial del hielo podrían necesitar ajustes, pues la capa lubricante puede formarse sin fusión visible, lo que podría afectar predicciones de patinabilidad, derretimiento, erosión del hielo, etc.