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Por que o gelo é tão escorregadio?

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          A princípio essa pergunta pode parecer muito óbvia e sem sentido. A propriedade do gelo em ser extremamente escorregadio é um fenômeno presenciado diariamente, porém, surpreendentemente, a explicação do porquê disso permanece algo controverso na história científica. A natureza 'escorregadia' do gelo é geralmente atribuída à formação de uma fina camada de água líquida gerada por fricção. Mas quais são exatamente as propriedades dessa fina camada proposta? Ora, porque temos um paradoxo aqui: a água líquida é bem conhecida de ser um péssimo lubrificante. Como esse filme líquido, então, reduz fricção e torna o gelo escorregadio? Um estudo publicado recentemente no periódico Physical Review X (1) parece ter encontrado a resposta - ou pelo menos o cerne dela.

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   PELÍCULA DE ÁGUA

          O gelo e a neve exibem extraordinárias propriedades friccionais, com excepcionais coeficientes de baixa fricção. Esse comportamento único permite o sucesso de vários esportes de inverno - como esqui, hóquei e patinação -, impõe riscos nas estradas e, em um contexto muito diferente, é um elemento fundamental para o deslizamento de geleiras. A baixa fricção imposta pelo gelo permanece, no entanto, altamente contra-intuitiva e paradoxal quando lembramos que a água é geralmente considerada um péssimo lubrificante devido à sua baixa viscosidade. E mesmo após mais de um século de investigação científica, a origem exata dessa enigmática propriedade permanece altamente debatida.

          Desde 1859, com os trabalhos de M. Faraday (On Regelation, and on the Conservation of Force), tem sido estabelecido o consenso sobre a existência de uma camada úmida similar ao estado líquido na superfície do gelo, com uma espessura variando entre 1 e 100 nanômetros (nm) dependendo da temperatura, apesar do mecanismo associado de formação ser motivo de discussão acadêmica.

         Trabalhos subsequentes descartaram mecanismos de derretimento sob pressão sendo propostos para explicar o filme proposto, com as evidências científicas dando suporte para um mecanismo de derretimento friccional: dissipação viscosa gera calor, o que aumenta a temperatura na região de contato até o ponto de fusão, criando portando um filme lubrificante. Esse novo cenário, subsequentemente e parcialmente, ganhou suporte teórico a partir de medidas macroscópicas tribológicas. Porém, ainda muitas lacunas permaneceram sobre as propriedades de filme lubrificante interfacial, incluindo sua real espessura - indo inclusive da escala de nanômetros para micrômetros dependendo das técnicas de análises realizadas.

         As dificuldades para se explorar a real natureza desse filme lubrificante sobre a superfície do gelo - ou mesmo sua real existência - se dá pelo fato da sua formação ser dinâmica e auto-consistente, o que faz a fronteira água-gelo elusiva de ser detectada. Além disso, medidas mais recentes da temperatura envolvida no processo descartaram a possibilidade de completa fusão (passagem do sólido para o líquido) de um filme interfacial de água sob deslizamento, contradizendo explicações já estabelecidas do processo. Por fim, em esportes de inverno, é uma prática padrão usar revestimentos hidrofóbicos para reduzir ainda mais a fricção sobre o gelo-neve, tipicamente com ceras contendo aditivos de flúor; a origem desse comportamento físico-químico também é contra-intuitiva - já que o gelo é hidrofílico - e elusiva.

          Em outras palavras, os mecanismos fundamentais para a natureza escorregadia do gelo (e da neve) têm permanecido um mistério desde o começo dos debates científicos sobre o problema, no século XIX.

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   REOLOGIA COMPLEXA

           Mais recentemente, para tentar resolver essa questão, pesquisadores do laboratório de Física do I'ENS (CNRS/ENS-PSL /Sorbonne Université/Université de Paris) em colaboração com um time do laboratório de hidrodinâmica do CNRS (LadHyX,CNRS/École polytechnique) desenvolveram um dispositivo equipado com um sensor tribométrico que permite "ouvir" as forças atuando durante o deslizamento sobre o geo com extrema precisão. Apesar da escala macroscópica (centímetros) da ponta de interação efetiva do equipamento (tuning fork), sua sensibilidade mostrou-se suficiente para analisar as propriedades de fricção em uma escala nanométrica. Isso permitiu criar uma ponte entre medidas padrões via microscopia de força atômica (AFM) e experimentos tribológicos em macroescala.

          Graças ao aparato inédito - e descrito em um estudo publicado esta semana na Physical Review X -, os cientistas foram capazes de claramente demostrar pela primeira vez que a fricção, de fato, gera um filme constituído de água líquida. Esse filme, todavia, trouxe várias surpresas. A principal foi a espessura, a qual media poucas centenas de nanômetros a 1 mícron (ou seja, um centésimo ou menos da espessura de um de cabelo humano) - bem mais fino do que os modelos teóricos mais recentes sugeriam -, e dependia da temperatura de forma diretamente proporcional e variando de 100 a 500 nm. A espessura do filme estacionário mostrou-se um fator 4 vezes maior do que os valores para os filmes pré-fusionados em equilíbrio.

          Ainda mais inesperado, o filme não mostrou ser 'simples' água, mas, sim, de uma água tão viscosa quanto o óleo, com complexas propriedades viscoelásticas. Esse inesperado comportamento sugere que a superfície de gelo não completamente se transforma em água líquida, mas, sim, em um estado misturado similar a 'cones de neve', uma mistura de água e gelo macerado.

         As análises também revelaram que a viscosidade desse filme aumentava drasticamente no sentido do ponto de fusão, alcançando um valor próximo de 2 ordens de magnitude maiores do que a água líquida a 0°C.

          Juntos, os resultados das medidas experimentais convergiram para uma inesperada e complexa reologia (ramo da mecânica que estuda as deformações e o fluxo da matéria) para o derretimento da água durante a formação do filme. Ao contrário da água líquida 'simples', o filme sobre a superfície do gelo e da neve é um excelente lubrificante, indicando que o modelo descrevendo a fricção do gelo não pode assumir apenas mecanismos Newtonianos para o comportamento da água.


   REVESTIMENTO HIDROFÓBICO

           Para investigar o mistério do porquê a adição de substâncias hidrofóbicas - como a cera - leva a uma substancial redução na fricção do gelo, os pesquisadores analisaram pequenas esferas de sílica de estrutura silânica (hidrofóbicas) e pequenas esferas de sílica (hidrofílicas) depositadas sobre o gelo. O tratamento hidrofóbico levou a uma drástica redução da fricção, de fator até 10, quando comparado com a superfície padrão de vidro (sílica, SO2). A redução de fricção se mostrou mais forte quando próximo do ponto de fusão (maior temperatura).

           As análises mostraram que o revestimento hidrofóbico parece afetar o acúmulo do filme intersticial, sugerindo que efeitos na escala nanométrica podem fortemente impactar na fricção macroscópica do gelo. No caso, os pesquisadores investigaram os efeitos apenas no gelo, realçando que a neve é um material bem mais complexo: poroso e envolvendo uma mistura de neve macia, gelo duro e água. Os organizadores de esportes de inverno usam revestimentos de cera que não são apenas hidrofóbicos, mas que também trazem compostos que tornam a dureza adequada para o solo de neve ou grãos de gelo visado. Mais estudos sobre esse tópico são necessários.

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   CONCLUSÃO

          No geral, o novo estudo encontrou inconsistências nos modelos teóricos estabelecidos para a fricção do gelo. A complexa reologia do material intersticial mostrou ser um elemento chave, o qual não estava sendo considerado até o momento em favorecimento da descrição do filme como um simples fluído Newtoniano. Apesar de complicado, o mistério da natureza escorregadia do gelo e da neve só será esclarecido em maiores detalhes com a análise conjunta de mecanismos mecânicos, reológicos e termodinâmicos, segundo concluíram os autores do estudo.


(1) Publicação do estudo: PRX

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