Após anos de mistério, a ciência descobriu finalmente porque é que o gelo escorrega tanto.

O verdadeiro culpado acaba por ser mais estranho.

Novas simulações a um frio quase impossível obrigaram os físicos a repensar o que torna o gelo traiçoeiro debaixo dos pés. As conclusões desafiam a história clássica dos manuais e sugerem que o gelo pode continuar escorregadio mesmo quando está demasiado frio para derreter de todo.

O velho mito sobre o gelo escorregadio

Pergunte à maioria das pessoas por que razão o gelo é escorregadio e ouvirá a mesma resposta: a pressão ou o atrito produzem uma fina camada de água líquida à superfície. Essa água comporta-se como um lubrificante microscópico e permite que patins, esquis ou sapatos deslizem com pouca resistência.

Esta ideia aparece em inúmeros livros escolares. Carregue com força, diz-se, e derrete ligeiramente a superfície. Esfregue depressa o suficiente e o atrito aquece-a. De uma forma ou de outra, obtém-se uma película brilhante de água que funciona como óleo invisível.

A história soa organizada, mas os números nunca bateram certo. As pessoas esquiam e patinam perfeitamente bem a –20 °C, por vezes ainda mais frio. A essas temperaturas, a pressão de uma lâmina de patim não gera derretimento suficiente. Instrumentos sensíveis também não detetam qualquer aumento significativo de temperatura à superfície do gelo durante um deslizamento normal.

Há anos que os físicos sabem que a explicação padrão da “fusão por pressão” não corresponde ao que realmente acontece no gelo real.

Assim, os investigadores voltaram ao ponto de partida, colocando uma pergunta simples mas incómoda: se a superfície não está a derreter, porque é que o gelo continua a comportar-se como um material de baixo atrito?

Simular o gelo à escala molecular

Uma equipa liderada por Martin Müser, físico na Universidade do Sarre, na Alemanha, recorreu a simulações computacionais de alta potência para obter respostas. Em vez de testar gelo real num laboratório, construíram um modelo digital detalhado que imita a forma como as moléculas de água se comportam tanto no estado sólido como no líquido.

Usaram um modelo conhecido como TIP4P/Ice, amplamente respeitado entre cientistas por reproduzir muitas propriedades conhecidas do gelo: densidade, ponto de fusão e a forma como a rede cristalina se forma. Isso deu-lhes um “campo de testes” fiável onde puderam ampliar até ao nível atómico.

Nas simulações, os investigadores pressionaram duas placas perfeitamente planas de cristal de gelo uma contra a outra. Depois “arrefeceram” o sistema virtual até temperaturas extremamente baixas - tão pouco como 10 kelvins acima do zero absoluto, cerca de –263 °C. Nessas condições, qualquer noção de fusão superficial deveria desaparecer por completo.

Mesmo a temperaturas em que a água nunca poderia existir como líquido, as superfícies de gelo simuladas ainda assim recusavam “colar-se” uma à outra como sólidos secos e rugosos.

Em vez disso, o contacto entre os cristais mostrava sinais de deslizamento fácil. Isso apontava para um mecanismo diferente, que não depende da clássica película de água de fusão.

Porque é que o gelo pode deslizar sem derreter

Então o que se passa à superfície do gelo? As simulações sugerem que a camada mais externa de moléculas se comporta de forma diferente das que estão enterradas mais fundo no cristal.

No interior (no volume) do gelo, as moléculas de água ficam numa rede rígida e ordenada. Cada uma forma ligações de hidrogénio fortes com as vizinhas em todas as direções. À superfície, pelo contrário, algumas dessas ligações faltam. As moléculas ficam menos firmemente ancoradas, ligeiramente desalinhadas e capazes de vibrar com mais liberdade, mesmo a temperaturas muito baixas.

Essa camada superior desordenada não se transforma em verdadeira água líquida, mas também não se comporta como um sólido típico. Os físicos chamam a este tipo de comportamento “pré-fusão” (premelting) ou uma superfície “quase líquida”. Continua a ser gelo, mas as suas moléculas conseguem rearranjar-se e deslizar umas pelas outras muito mais facilmente do que as do interior.

A sensação escorregadia do gelo vem de uma camada superficial inquieta e fracamente ligada, não de uma poça visível de água derretida.

Quando uma lâmina de patim ou um sapato pressiona essa superfície, interage sobretudo com esta camada frágil. As moléculas podem deslocar-se e reorganizar-se rapidamente, reduzindo o atrito e permitindo um movimento suave. A pressão e o atrito do movimento podem ainda ajustar o comportamento desta camada, mas não são a única causa da escorregadela.

O que isto significa para a vida quotidiana

Esta imagem revista ajuda a explicar por que razão superfícies geladas diferentes podem parecer tão diferentes. Um trilho de neve fresca, frio e compacto pode oferecer excelente deslize para esquis, enquanto gelo recongelado e rugoso num passeio pode ser perigosamente imprevisível.

Vários fatores podem influenciar o comportamento dessa camada molecular superior:

• Temperatura: superfícies mais frias continuam escorregadias, mas pequenas mudanças podem alterar o quão móveis são as moléculas exteriores.
• Rugosidade: riscos microscópicos ou grãos podem fragmentar a camada superficial e aumentar o atrito.
• Contaminantes: sal, sujidade ou químicos de degelo podem perturbar a estrutura, tornando algumas zonas mais aderentes e outras ainda mais escorregadias.
• Pressão e movimento: patins e pneus podem rearranjar localmente as moléculas da superfície, ajustando a facilidade com que deslizam.

Para os desportos de inverno, esta compreensão mais profunda justifica a atenção obsessiva dada à cera de esqui e ao afiar das lâminas. Estes detalhes determinam como o equipamento interage com essa camada superior delicada.

Repensar a segurança nas estradas de inverno

Engenheiros rodoviários e entidades de transporte já espalham sal e gravilha para lidar com condições de gelo, mas esta nova ciência pode refinar essas estratégias. O sal não se limita a derreter o gelo; também altera a estrutura superficial, podendo engrossar ou afinar essa camada móvel em diferentes intervalos de temperatura.

Estudar como os pneus interagem com esta camada quase líquida poderá levar a melhores desenhos de piso e compostos de borracha. O objetivo não é apenas romper uma película de água, mas gerir a interação subtil entre pressão, rugosidade e mobilidade molecular na zona de contacto.

Compreender como pneus e sapatos realmente aderem ao gelo pode reduzir as taxas de acidentes em regiões frias e informar novas normas para equipamento de inverno.

O que os cientistas querem dizer com “zero absoluto” e kelvin

O estudo refere temperaturas “10 kelvins acima do zero absoluto”, o que pode soar abstrato. O zero absoluto é o ponto teórico em que todo o movimento térmico pára. Na escala Celsius, situa-se em –273,15 °C.

O kelvin é uma unidade de temperatura usada na ciência. Uma diferença de 1 kelvin equivale a uma diferença de 1 °C, mas a escala começa no zero absoluto em vez de no ponto de congelação da água. Assim, 10 K acima do zero absoluto corresponde a cerca de –263 °C - inimaginavelmente frio em termos do dia a dia.

Temperatura	Kelvin (K)	Celsius (°C)
Zero absoluto	0 K	–273,15 °C
Ponto de congelação da água	273,15 K	0 °C
Temperatura típica do gelo para patinagem	253 K	–20 °C

Cenários do dia a dia em que esta ciência aparece

Pense em atravessar um parque de estacionamento depois de uma vaga de frio. A –5 °C, pode haver uma mistura de gelo, lama e neve compactada. As suas botas interagem com uma superfície irregular, parcialmente derretida. O atrito que sente varia de passo para passo à medida que a estrutura microscópica muda.

Numa manhã nítida e muito seca a –20 °C, o parque de estacionamento pode parecer igualmente branco, mas a física é diferente. A fusão superficial é muito mais fraca, e ainda assim essa camada quase líquida deixa a sola escorregar, sobretudo onde os carros poliram o chão, tornando-o liso. A gravilha ou a areia funcionam não só por acrescentarem rugosidade, mas também por interromperem esta estrutura superficial delicada.

As pistas de gelo interiores fornecem outro exemplo. Os operadores ajustam a temperatura da placa de gelo dentro de uma faixa estreita. Um gelo ligeiramente mais quente pode parecer mais rápido para patinadores de velocidade porque a camada superficial se torna mais móvel, embora amolecer demasiado os abrande e danifique o gelo. O compromisso perfeito está numa banda estreita que esta nova ciência pode ajudar a definir com maior precisão.

Para onde esta investigação poderá avançar a seguir

Os investigadores estão agora a estudar como este comportamento superficial muda com diferentes tipos de gelo. O gelo natural em lagos frequentemente inclui bolhas de ar e impurezas. O gelo de glaciares está sob pressão enorme. As pistas artificiais são quimicamente mais limpas, mas moldadas por sucessivas operações de resurfacing. Cada situação pode alterar a forma como essa camada molecular exterior se forma e flui.

Há também interesse em aplicar modelos semelhantes a outros “sólidos escorregadios”, como certos plásticos ou gases congelados. Se os engenheiros conseguirem aprender a controlar a camada fina e móvel nas superfícies, poderão conceber novos materiais que ou aderem melhor no frio, ou se mantêm escorregadios onde o baixo atrito é necessário, como em rolamentos ou tubagens.

O mistério de por que o gelo desliza está a dar aos engenheiros novas ferramentas para desenhar estradas mais seguras, patins mais rápidos e equipamento de inverno mais inteligente.

Por agora, uma lição destaca-se: o que acontece no gelo não é decidido por uma lâmina visível de água, mas por apenas algumas moléculas inquietas mesmo no topo. Da próxima vez que pisar um passeio gelado, a traição debaixo dos seus pés vem de uma camada tão fina que nunca a conseguiria ver - e, no entanto, o seu equilíbrio depende dela.