El misterio del hielo

Esta es una pregunta que, aunque se caigan, probablemente no se les pasar¨¢ por la cabeza a Shizuka Arakawa, Sasha Cohen, Irina Slutskaya y las dem¨¢s figuras femeninas del patinaje art¨ªstico que han competido en los recientes Juegos Ol¨ªmpicos de Tur¨ªn: ?Por qu¨¦ resbala el hielo? Pero quiz¨¢ deber¨ªa. Al fin y al cabo, el hielo es un s¨®lido, e intentar deslizarse sobre unas cuchillas met¨¢licas por la superficie de la mayor¨ªa de los s¨®lidos -como el cemento, la madera o el cristal- provoca sonidos estridentes y tropiezos poco elegantes. Aunque la pregunta pueda parecer sencilla, los f¨ªsicos todav¨ªa est¨¢n buscando una respuesta simple. Resulta que la explicaci¨®n que antes se ofrec¨ªa habitualmente en los libros es err¨®nea. Y el hecho de que sea resbaladizo es s¨®lo uno de los rompecabezas sin resolver sobre el hielo.

La frecuente explicaci¨®n de que la cuchilla derrite el hielo es incorrecta

Faraday ya propuso en 1850 la idea de que el hielo tiene una capa l¨ªquida intr¨ªnseca

Adem¨¢s del hielo corriente, hay unas 12 formas m¨¢s, y los expertos sospechan que algunas de ellas se encuentran en el caliente interior de la Tierra o en la superficie de Plut¨®n.

El hielo, afirma Robert M. Rosenberg (Universidad Lawrence de Appleton,Wisconsin), "es un s¨®lido muy misterioso". Rosenberg escribi¨® un art¨ªculo sobre la naturaleza resbaladiza del hielo, publicado el pasado diciembre en Physics Today, ya que no dejaba de toparse con la explicaci¨®n err¨®nea, que se remonta a hace m¨¢s de un siglo. Esa explicaci¨®n se sirve de una propiedad inusual del agua: su forma s¨®lida, el hielo, es menos densa que la l¨ªquida. Por esto el hielo flota sobre el agua, mientras que un cubo de alcohol congelado -con una temperatura de congelaci¨®n de -113,8 grados cent¨ªgrados- caer¨ªa hasta el fondo de un vaso de alcohol l¨ªquido. La densidad m¨¢s baja del hielo tambi¨¦n implica que su temperatura de fusi¨®n puede reducirse por debajo de los cero grados cent¨ªgrados al ejercer presi¨®n sobre ¨¦l.

Seg¨²n la explicaci¨®n frecuente -aunque incorrecta- sobre por qu¨¦ el hielo es resbaladizo bajo unos patines, la presi¨®n ejercida a lo largo de la cuchilla reduce la temperatura de fusi¨®n de la capa superior del hielo, ¨¦ste se derrite y la cuchilla se desliza sobre un delgado estrato de agua que vuelve a congelarse en cuanto ha pasado el pat¨ªn. La explicaci¨®n es incorrecta, se?ala Rosenberg, porque el efecto de derretimiento provocado por la presi¨®n es peque?o. La temperatura de fusi¨®n s¨®lo se reduce de 0 grados cent¨ªgrados a -0,01 grados. Sin embargo, los patinadores resbalan y caen f¨¢cilmente a temperaturas mucho m¨¢s bajas.

Esta explicaci¨®n del derretimiento por la presi¨®n tampoco aclara por qu¨¦ alguien que lleve unos zapatos planos, con un ¨¢rea mucho mayor que ejerce incluso menos presi¨®n sobre el hielo que las cuchillas, tambi¨¦n puede resbalar. Han surgido dos explicaciones alternativas. Una, m¨¢s generalmente aceptada ahora, invoca a la fricci¨®n: el frotamiento de la cuchilla de un pat¨ªn o de una suela de zapato contra el hielo lo calienta y lo funde, generando as¨ª una capa resbaladiza. La otra se basa en la idea de que quiz¨¢ la superficie del hielo sencillamente sea resbaladiza. Este argumento sostiene que las mol¨¦culas de agua de la superficie del hielo vibran m¨¢s, ya que sobre ellas no hay part¨ªculas que las ayuden a mantenerse en su posici¨®n y, por tanto, siguen siendo un l¨ªquido no helado incluso a temperaturas muy por debajo del punto de congelaci¨®n.

Los cient¨ªficos contin¨²an debatiendo si desempe?a el papel m¨¢s importante la fricci¨®n o la capa l¨ªquida. Cuando se le pide su opini¨®n, Rosenberg opta por una respuesta no concluyente: "Yo creo que hay dos motivos principales".

La idea de que el hielo posee una capa l¨ªquida intr¨ªnseca no es un concepto nuevo. Fue propuesta por Michael Faraday en 1850, tras un sencillo experimento: presion¨® un cubito de hielo contra otro y se fusionaron. Faraday afirmaba que las capas l¨ªquidas se volv¨ªan s¨®lidas cuando ya no se encontraban en la superficie. Sin embargo, como la capa es tan fina, a los cient¨ªficos les resultaba dif¨ªcil verlo.

En 1996, Gabor A. Somorjai (Laboratorio Lawrence Berkeley, California), bombarde¨® la superficie del hielo con electrones y observ¨® c¨®mo rebotaban, lo cual produjo un patr¨®n que parec¨ªa l¨ªquido, al menos en parte, a temperaturas de hasta -158 grados cent¨ªgrados. Un par de a?os m¨¢s tarde, un equipo alem¨¢n hizo rebotar ¨¢tomos de helio contra el hielo y obtuvieron unos resultados que corroboraban los hallazgos de California.

"La capa de agua es intr¨ªnseca al hielo", dice Somorjai. Los hallazgos, se?ala, coinciden con la simple observaci¨®n de que la fricci¨®n no puede ser la ¨²nica explicaci¨®n para el car¨¢cter resbaladizo del hielo. Cuando uno est¨¢ de pie sobre el hielo, a?ade, no se genera calor por la fricci¨®n, pero "sigue siendo resbaladizo".

Pero, aunque no cuestiona el experimento de Somorjai, el cient¨ªfico espa?ol Miquel Salmer¨®n, compa?ero suyo del Lawrence Berkeley, s¨ª pone en duda la importancia de la capa l¨ªquida intr¨ªnseca para la naturaleza resbaladiza del hielo. En 2002, Salmer¨®n y sus colegas realizaron un experimento. Arrastraron el extremo de un microscopio de fuerzas at¨®micas por la superficie del hielo. "Observamos que la fricci¨®n era muy elevada", comenta Salmer¨®n. Es decir, que el hielo no es tan resbaladizo al fin y al cabo. Seg¨²n ¨¦l, esto indica que, aunque la capa superior del hielo tal vez sea l¨ªquida, es demasiado delgada como para contribuir mucho a su naturaleza resbaladiza, a no ser que ronde la temperatura de fusi¨®n. Considera que la fricci¨®n es el principal motivo por el que el hielo es resbaladizo; sin embargo, reconoce que no puede demostrar de forma definitiva que su idea sea la correcta.

El hielo formado por agua se comporta de un modo m¨¢s extra?o a¨²n a temperaturas m¨¢s bajas y a presiones m¨¢s elevadas. El agua -H20- aparenta ser una mol¨¦cula simple: dos ¨¢tomos de hidr¨®geno conectados a un ¨¢tomo de ox¨ªgeno central, en forma de V. En el hielo corriente, denominado Ih, las mol¨¦culas de agua se alinean en un patr¨®n hexagonal (la h significa hexagonal). Una variaci¨®n, el hielo Ic, que se encuentra en los cristales de hielo que flotan en las alturas de la atm¨®sfera, forma cristales c¨²bicos. La estructura cristalina del hielo es bastante endeble. A presiones altas, la habitual estructura hexagonal se desmorona y las cadenas pasan a formar unas estructuras cristalinas m¨¢s compactas y densas clasificadas con n¨²meros romanos: hielo II, hielo III, hielo IV, etc¨¦tera.

A una determinada presi¨®n el hielo Ih se convierte en el hielo II. ?ste no aparece de forma natural en la Tierra, ni siquiera en la base de las zonas m¨¢s gruesas de la capa helada ant¨¢rtica. Pero los cient¨ªficos planetarios esperan que exista hielo II, y posiblemente algunos otros tipos, en el interior de cuerpos m¨¢s g¨¦lidos del sistema solar, como las lunas de J¨²piter Gan¨ªmedes y Calixto.Sin embargo, no han dicho ni una palabra respecto a si alguno de esos otros tipos de hielo es lo bastante resbaladizo como para realizar un triple axel.