El misterio del hielo

Esta es una pregunta que, aunque se caigan, probablemente no se les pasará por la cabeza a Shizuka Arakawa, Sasha Cohen, Irina Slutskaya y las demás figuras femeninas del patinaje artístico que han competido en los recientes Juegos Olímpicos de Turín: ¿Por qué resbala el hielo? Pero quizá debería. Al fin y al cabo, el hielo es un sólido, e intentar deslizarse sobre unas cuchillas metálicas por la superficie de la mayoría de los sólidos -como el cemento, la madera o el cristal- provoca sonidos estridentes y tropiezos poco elegantes. Aunque la pregunta pueda parecer sencilla, los físicos todavía están buscando una respuesta simple. Resulta que la explicación que antes se ofrecía habitualmente en los libros es errónea. Y el hecho de que sea resbaladizo es sólo uno de los rompecabezas sin resolver sobre el hielo.

La frecuente explicación de que la cuchilla derrite el hielo es incorrecta

Faraday ya propuso en 1850 la idea de que el hielo tiene una capa líquida intrínseca

Además del hielo corriente, hay unas 12 formas más, y los expertos sospechan que algunas de ellas se encuentran en el caliente interior de la Tierra o en la superficie de Plutón.

El hielo, afirma Robert M. Rosenberg (Universidad Lawrence de Appleton,Wisconsin), "es un sólido muy misterioso". Rosenberg escribió un artículo sobre la naturaleza resbaladiza del hielo, publicado el pasado diciembre en Physics Today, ya que no dejaba de toparse con la explicación errónea, que se remonta a hace más de un siglo. Esa explicación se sirve de una propiedad inusual del agua: su forma sólida, el hielo, es menos densa que la líquida. Por esto el hielo flota sobre el agua, mientras que un cubo de alcohol congelado -con una temperatura de congelación de -113,8 grados centígrados- caería hasta el fondo de un vaso de alcohol líquido. La densidad más baja del hielo también implica que su temperatura de fusión puede reducirse por debajo de los cero grados centígrados al ejercer presión sobre él.

Según la explicación frecuente -aunque incorrecta- sobre por qué el hielo es resbaladizo bajo unos patines, la presión ejercida a lo largo de la cuchilla reduce la temperatura de fusión de la capa superior del hielo, éste se derrite y la cuchilla se desliza sobre un delgado estrato de agua que vuelve a congelarse en cuanto ha pasado el patín. La explicación es incorrecta, señala Rosenberg, porque el efecto de derretimiento provocado por la presión es pequeño. La temperatura de fusión sólo se reduce de 0 grados centígrados a -0,01 grados. Sin embargo, los patinadores resbalan y caen fácilmente a temperaturas mucho más bajas.

Esta explicación del derretimiento por la presión tampoco aclara por qué alguien que lleve unos zapatos planos, con un área mucho mayor que ejerce incluso menos presión sobre el hielo que las cuchillas, también puede resbalar. Han surgido dos explicaciones alternativas. Una, más generalmente aceptada ahora, invoca a la fricción: el frotamiento de la cuchilla de un patín o de una suela de zapato contra el hielo lo calienta y lo funde, generando así una capa resbaladiza. La otra se basa en la idea de que quizá la superficie del hielo sencillamente sea resbaladiza. Este argumento sostiene que las moléculas de agua de la superficie del hielo vibran más, ya que sobre ellas no hay partículas que las ayuden a mantenerse en su posición y, por tanto, siguen siendo un líquido no helado incluso a temperaturas muy por debajo del punto de congelación.

Los científicos continúan debatiendo si desempeña el papel más importante la fricción o la capa líquida. Cuando se le pide su opinión, Rosenberg opta por una respuesta no concluyente: "Yo creo que hay dos motivos principales".

La idea de que el hielo posee una capa líquida intrínseca no es un concepto nuevo. Fue propuesta por Michael Faraday en 1850, tras un sencillo experimento: presionó un cubito de hielo contra otro y se fusionaron. Faraday afirmaba que las capas líquidas se volvían sólidas cuando ya no se encontraban en la superficie. Sin embargo, como la capa es tan fina, a los científicos les resultaba difícil verlo.

En 1996, Gabor A. Somorjai (Laboratorio Lawrence Berkeley, California), bombardeó la superficie del hielo con electrones y observó cómo rebotaban, lo cual produjo un patrón que parecía líquido, al menos en parte, a temperaturas de hasta -158 grados centígrados. Un par de años más tarde, un equipo alemán hizo rebotar átomos de helio contra el hielo y obtuvieron unos resultados que corroboraban los hallazgos de California.

"La capa de agua es intrínseca al hielo", dice Somorjai. Los hallazgos, señala, coinciden con la simple observación de que la fricción no puede ser la única explicación para el carácter resbaladizo del hielo. Cuando uno está de pie sobre el hielo, añade, no se genera calor por la fricción, pero "sigue siendo resbaladizo".

Pero, aunque no cuestiona el experimento de Somorjai, el científico español Miquel Salmerón, compañero suyo del Lawrence Berkeley, sí pone en duda la importancia de la capa líquida intrínseca para la naturaleza resbaladiza del hielo. En 2002, Salmerón y sus colegas realizaron un experimento. Arrastraron el extremo de un microscopio de fuerzas atómicas por la superficie del hielo. "Observamos que la fricción era muy elevada", comenta Salmerón. Es decir, que el hielo no es tan resbaladizo al fin y al cabo. Según él, esto indica que, aunque la capa superior del hielo tal vez sea líquida, es demasiado delgada como para contribuir mucho a su naturaleza resbaladiza, a no ser que ronde la temperatura de fusión. Considera que la fricción 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 más extraño aún a temperaturas más bajas y a presiones más elevadas. El agua -H20- aparenta ser una molécula simple: dos átomos de hidrógeno conectados a un átomo de oxígeno central, en forma de V. En el hielo corriente, denominado Ih, las moléculas de agua se alinean en un patrón hexagonal (la h significa hexagonal). Una variación, el hielo Ic, que se encuentra en los cristales de hielo que flotan en las alturas de la atmósfera, forma cristales cúbicos. 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 más compactas y densas clasificadas con números romanos: hielo II, hielo III, hielo IV, etcétera.

A una determinada presión el hielo Ih se convierte en el hielo II. Éste no aparece de forma natural en la Tierra, ni siquiera en la base de las zonas más gruesas de la capa helada antártica. Pero los científicos planetarios esperan que exista hielo II, y posiblemente algunos otros tipos, en el interior de cuerpos más gélidos del sistema solar, como las lunas de Júpiter Ganímedes 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.