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Você não escorrega no gelo porque seu peso o derrete. A superfície de qualquer bloco já está molhada antes de qualquer coisa encostar nela, coberta por uma película de moléculas soltas que continua ali dezenas de graus abaixo de zero. Michael Faraday intuiu a existência dessa camada em 1859, e os microscópios de força atômica a mediram no fim do século vinte: alguns nanômetros a vinte graus negativos, engrossando depressa conforme o termômetro sobe. A razão é banal e desconcertante. As moléculas do topo não têm vizinhas acima para se ligarem, ficam com metade das pontes de hidrogênio sobrando e se comportam como líquido enquanto o resto do bloco permanece sólido.
I
O Mecanismo
A explicação da escola é elegante e errada. Comprimir gelo rebaixa o ponto de fusão, a lâmina fina do patim concentra o peso numa área minúscula, a pressão derrete uma poça e o atleta desliza sobre a própria água que acabou de criar. A conta, porém, não fecha em lugar nenhum.
Faça o cálculo com números reais. Um adulto de setenta quilos apoiado sobre a lâmina inteira gera algo perto de setenta atmosferas, e cada atmosfera derruba o ponto de fusão do gelo em menos de um centésimo de grau. O ganho total do truque não chega a um grau abaixo de zero.
O problema é que ninguém patina a meio grau negativo. Ringues de hóquei operam entre cinco e nove graus abaixo de zero, e há gente deslizando em lagos congelados a trinta negativos. Nessas temperaturas a lâmina precisaria de uma pressão centenas de vezes maior, capaz de afundar no bloco antes de derreter qualquer coisa.
O atrito ajuda, mas chega atrasado. A lâmina em movimento aquece o que roça e produz água de verdade, efeito medido por Frank Bowden e T. P. Hughes em 1939. Só que o gelo continua traiçoeiro para quem está totalmente parado, e um sapato imóvel não gera atrito nenhum.
Michael Faraday desconfiou da resposta certa um século antes de alguém conseguir medi-la. Ele encostava dois pedaços de gelo um no outro e via os dois grudarem sozinhos, sem pressão, sem sal, sem aquecimento. Batizou o efeito de regelação e propôs que cada pedaço carregava uma película de água permanente.
James Thomson, irmão de William Thomson, defendia a versão da pressão, e a discussão entre os dois atravessou décadas. Faraday publicou sua nota sobre regelação nos anais da Royal Society em 1859, sustentando que a água já estava ali antes do contato e congelava ao ficar espremida entre as duas superfícies.
A física por trás da película é uma contagem de vizinhos. Dentro do cristal, cada molécula de água se amarra a quatro outras num arranjo tetraédrico rígido, e é essa malha de pontes de hidrogênio que faz o gelo ser duro. Na última camada de todas, metade dos parceiros simplesmente não existe.
Molécula com ligação sobrando é molécula inquieta. Sem ninguém acima para segurá-la, ela gira, troca de parceiro e escorrega de lado com uma liberdade que nenhuma molécula do interior tem. O resultado é um filme bagunçado, nem bem sólido nem bem líquido, que os físicos chamam de camada quase líquida.
A termodinâmica explica por que a natureza prefere o arranjo. Manter uma interface direta entre cristal e ar custa mais energia do que manter duas interfaces, a do cristal com o filme e a do filme com o ar. Quando a soma das duas sai mais barata, a película aparece sozinha e a superfície derrete antes do interior.
Medir a coisa levou mais de um século. Feixes de prótons em 1978, elipsometria nos anos oitenta, espalhamento de raios X em ângulo rasante em 1995 no grupo de Helmut Dosch, e enfim a ponta do microscópio de força atômica, que sente o filme mole antes de encostar no cristal duro.
Os valores convergem para uma escala minúscula. A um grau negativo a película tem dezenas de nanômetros, a dez negativos encolhe para poucos nanômetros, e por volta de trinta abaixo de zero some dentro do erro do instrumento. Espessura de algumas moléculas empilhadas, e mesmo assim ela decide o que acontece na superfície.
II
Por que Importa
O patim volta ao jogo com a explicação correta. A película já está lá quando a lâmina encosta, o atrito da passada engrossa o filme enquanto o atleta avança, e o deslizar sai da soma das duas parcelas. A pressão continua na conta como coadjuvante quase irrelevante.
Existe até uma temperatura ideal de pista. Em 2018 um grupo do Instituto Max Planck de Pesquisa em Polímeros mediu o atrito do gelo grau a grau e achou o mínimo perto de sete negativos: mais quente, o filme vira água viscosa demais; mais frio, ele some e a lâmina raspa cristal seco.
A mesma película explica o boneco de neve. Dois flocos encostados juntam suas camadas quase líquidas, as moléculas migram para o pescoço do contato e congelam ali, soldando os grãos num bloco só. Neve muito fria não tem filme para emprestar e, sem ele, nunca dá liga na mão.
A geleira desliza pelo mesmo motivo. Sob quilômetros de gelo, a base se apoia numa camada interfacial que nunca congela por completo, e a velocidade com que um continente de gelo escorre para o mar depende da espessura desse filme, variável que entra direto nos modelos de nível do oceano.
A película também levanta estradas. Em solo congelado, a água das camadas interfaciais migra pelos poros na direção das lentes de gelo em crescimento e empurra o terreno para cima, com força capaz de rachar asfalto e arrancar pedra de encosta. O nome do processo é frost heave.
Sem película não haveria raio. Dentro da nuvem de tempestade, granizo e cristais de gelo colidem aos milhões e trocam carga elétrica através das camadas quase líquidas de cada partícula, e é essa separação de cargas que carrega a nuvem até o clarão que atravessa o céu.
A química de superfície do gelo também entrou na conta do ozônio. As reações que transformam cloro inofensivo em cloro capaz de destruir ozônio acontecem nos cristais das nuvens estratosféricas polares, e a velocidade delas depende de quanto a última camada de moléculas consegue se mexer.
A biologia aprendeu a mexer no filme antes de nós. Proteínas anticongelantes de peixes polares e de insetos se encaixam na camada desordenada e impedem que ela vire cristal, truque que a indústria copia para manter sorvete cremoso e para conservar tecido vivo em nitrogênio líquido.
O fecho apaga a fronteira entre sólido e líquido. Nenhum cristal termina de forma abrupta no ar, e vários metais e semicondutores mostram a mesma desordem de superfície antes de chegar ao ponto de fusão. Todo sólido é um pouco líquido na pele, e o gelo só teve a sorte de ter alguém patinando em cima.
III
A Fonte
Proceedings of the Royal Society of London, 1859. Michael Faraday, na comunicação "Note on regelation", sustentou que a superfície do gelo mantém uma película de água mesmo abaixo de zero e que dois blocos encostados se soldam quando os dois filmes ficam presos entre eles.
Surface Science, 1995. Helmut Dosch, Andreas Lied e Jürg Bilgram, em "Glancing-angle X-ray scattering studies of the premelting of ice surfaces", flagraram com raios X rasantes a desordem crescente da superfície de monocristais de gelo a partir de cerca de treze graus abaixo de zero.
Langmuir, 2000. Astrid Döppenschmidt e Hans-Jürgen Butt, em "Measuring the thickness of the liquid-like layer on ice surfaces with atomic force microscopy", detectaram a película com a ponta do microscópio até por volta de trinta graus negativos, engrossando de poucos para dezenas de nanômetros perto de zero.
Reviews of Modern Physics, 2006. John Dash, Alan Rempel e John Wettlaufer, em "The physics of premelted ice and its geophysical consequences", reuniram a teoria da fusão de superfície e suas consequências, do levantamento de solo congelado ao deslizamento das geleiras e à eletrificação das tempestades.
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