Le olimpiadi di Milano-Cortina si sono aperte con le gare di curling, uno sport in cui l’arte di portare le pietre a bersaglio si basa con forte evidenza sulla capacità degli atleti di controllare l’attrito del granito con il ghiaccio. Tutti gli sport invernali, dallo sci al bob, dall’hockey alle tante forme di pattinaggio, trovano infatti fondamento in questa sostanza che sulla Terra ci appare trasparente o biancastra, ma che altrove nell’universo può esistere in tante altre forme diverse. Al punto da essere il solido più complesso e misterioso che si conosca, così come il liquido da cui proviene – l’acqua.

Per svelarne i segreti, in occasione delle olimpiadi in corso, abbiamo intervistato Thomas Loerting, docente di chimica fisica all’Università di Innsbruck, in Austria. «Parteciperò ai giochi di Milano-Cortina», ci ha rivelato. «Faccio parte della squadra austriaca di slittino e lavorerò sulla forma dei pattini e sull’acciaio di cui sono composti per abbassare l’attrito e rendere gli atleti più veloci. Questo è il mio compito».

Lei ha dedicato la vita a questa sostanza così comune e così ricca di sorprese. Per cominciare, ci può dire che cos’è il ghiaccio e quanti tipi ne esistono?

Il ghiaccio non è altro che acqua congelata. Ma l’acqua può congelarsi in molti modi diversi, a seconda di dove avviene il processo e di come avviene. Sulla Luna, dove la gravità è bassa, sarà molto diverso rispetto a un pianeta con gravità maggiore. Di solito nei nostri esperimenti studiamo il congelamento a diverse pressioni. Possono essere pressioni molto molto basse (in pratica, nel vuoto) e perfino negative se l’acqua è in tensione. Oppure possono essere pressioni molto molto alte, come quelle presenti all’interno di pianeti o di lune ghiacciate, per esempio le lune di Saturno o quelle di Giove.

In tutto questo intervallo di pressioni, il ghiaccio cambia in modo drammatico. Per fare un esempio, passa da una sostanza bianca, come la conosciamo sulla Terra, a un metallo che ha un campo magnetico e che fonde a una temperatura di 3.000 °C. Nell’accezione comune, il ghiaccio fonde a 0 °C; ma questo è solo un tipo di ghiaccio. Ce ne sono altri che fondono a 3-4-5.000 °C, a seconda della pressione. Nel nostro laboratorio, di solito arriviamo a pressioni di 25.000 atmosfere e non creiamo forme magnetiche o metalliche di ghiaccio come quelle che si generano all’interno di pianeti giganti come Nettuno. Ma anche in questo intervallo, fino a 25.000 atmosfere, abbiamo scoperto 15 diverse forme di ghiaccio. Se si includono le pressioni più alte, in totale ci sono 20 diversi tipi accertati di questa sostanza, di cui 3 sono stati scoperti qui, nel nostro laboratorio. Ci sono poi altre 3 forme candidate, che devono essere confermate. Tutte queste sono forme cristalline (cioè con una struttura microscopica ordinata e regolare, ndr), poi ci sono anche 3 diverse forme di ghiaccio amorfo (cioè con una struttura microscopica irregolare, simile a quella di un liquido, ndr).

Qual è l’importanza del ghiaccio alle olimpiadi invernali?

Nelle olimpiadi invernali ci sono eventi che si svolgono sulla neve e altri che si svolgono sul ghiaccio. Entrambe sono, in realtà, forme diverse dello stesso ghiaccio, il ghiaccio esagonale. La differenza principale è che la neve è mescolata con l’aria, e a seconda di quanta aria c’è può essere polverosa o dura. Se compressa molto, la neve assomiglia al ghiaccio: la differenza scompare quasi quando si espelle l’aria.

Un fattore importantissimo per lo sport è l’attrito. Come cambia a seconda delle condizioni ambientali?

L’attrito dipende da un coefficiente che si basa non sulla parte di aria presente, ma su quella di ghiaccio. Se c’è molta polvere, c’è una buona area di contatto. Se invece c’è uno strato di ghiaccio molto compatto, allora il contatto è peggiore. Questa differenza è importante nella pratica; ma in termini fisici le stesse cose accadono su neve e su ghiaccio. Un fattore importante che altera sia le proprietà del ghiaccio, sia quelle della neve, è la temperatura. C’è un’enorme differenza tra ghiaccio o neve molto freddi e ghiaccio o neve più caldi, vicino a 0 °C. Quando fa molto freddo e si va sotto i -25 °C, l’attrito aumenta e diventa persino impossibile sciare, perché si rimane bloccati. In condizioni normali, infatti, scivolare sul ghiaccio o sulla neve è facile, perché c’è uno strato bagnato “quasi liquido” che di solito non si vede a occhio nudo perché è molto sottile (solo pochi strati molecolari), ma è sufficiente a ridurre moltissimo il coefficiente di attrito. A bassa temperatura, questo strato molecolare scompare, e resta l’attrito solido-solido che è molto più elevato.

La prima cosa che rende lo sci scivoloso è la presenza di questo strato liquido. C’è a causa della fisica, perché la superficie è diversa dal resto del materiale. Lo strato superficiale inizia a fondere a -20 °C. Questo rende la superficie bagnata ed è un fenomeno presente in ogni momento, è lì per ragioni fisiche. Naturalmente, se non c’è abbastanza lubrificazione, la si può indurre. Tipicamente, se si è veloci, diciamo da 100 km/h in su, allora l’attrito genera abbastanza calore da produrre o aumentare lo strato liquido, lubrificando i punti di contatto. Più si è veloci, meglio è. In alcuni casi, addirittura, il bordo degli sci si brucia per l’eccesso di calore. Nel pattinaggio c’è anche un altro meccanismo che aiuta, che è la fusione per pressione: quando si esercita pressione sul ghiaccio, la temperatura di fusione diminuisce. Quindi, se c’è una piccola area di contatto e se il pattinatore è pesante, allora la pressione sarà sufficiente a produrre uno strato liquido lubrificante.

Come si crea lo strato lubrificante perfetto?

Si può usare la pressione, concentrando forze elevate su piccole aree di contatto. Si può mantenere una grande area di contatto e servirsi del calore generato dall’attrito. Oppure si può usare lo strato che è naturalmente presente. Dipende dallo sport e dal giorno dell’evento. In alcuni giorni farà molto freddo e non ci sarà uno strato superficiale liquido molto spesso. In altri giorni sarà caldo e ci sarà troppa acqua. Bisogna trovare la situazione ottimale. Se lo strato è troppo sottile, ci sarà attrito solido-solido che rallenta. Se lo strato è troppo spesso, sarà come essere in macchina e fare aquaplaning su una pozzanghera, e anche questo rallenta. Nel mezzo c’è una situazione ottimale. Se c’è molta acqua, per migliorare le prestazioni si può usare la sciolina (wax). Una volta si usavano le cere fluorurate, ma ora sono vietate o sempre più limitate, perché contenevano composti (Pfas) che sono sostanze chimiche “eterne”, che non si decompongono se non dopo centinaia di anni ed entrano nella catena alimentare. Per di più sono anche gas serra; si accumulano nell’atmosfera e contribuiscono al riscaldamento climatico.

Oggi si usano altre sostanze o oli. Anche questa scelta fa parte dei segreti di una squadra e ci sono diverse opzioni per evitare l’aquaplaning o viceversa, se fa freddo, per attirare l’acqua sotto la lama in modo che ci sia abbastanza lubrificazione. A seconda che si voglia attrarre l’acqua o respingerla, si usano sostanze idrofile o idrofobe.

Che cos’altro si può fare per migliorare le prestazioni?

Naturalmente l’area di contatto è un aspetto molto importante. Si può decidere di avere un contatto completo con la neve o con il ghiaccio, oppure preferire di andare sul bordo della lama. Sul lato tecnico, si può modificare il profilo dei pattini, l’angolo di come si affilano i bordi e così via. Di solito, su un percorso rettilineo si preferisce avere una buona area di contatto e scivolare sullo strato liquido. In curva, invece, si preferisce andare sul bordo per non perdere velocità. Non è però solo una questione di lame, molto dipende anche dalla tecnica dell’atleta; per cui si decide sempre insieme.

Più nel dettaglio, come si lavora sulle lame?

Cambia molto se si è in rettilineo o in curva, dove le accelerazioni possono arrivare a 5 g (cinque volte l’accelerazione di gravità, come in un aereo militare o in un’automobile di formula uno, ndr). Idealmente si preferisce usare pattini lunghi in curva, ma in rettilineo i pattini rallentano gli atleti; ecco perché si decide insieme. Se un atleta è saldo e forte, non ha bisogno di una lama con una superficie molto estesa per governare lo slittino, allora ne togliamo il più possibile. Un altro aspetto molto importante è la lucidatura: più liscia è la superficie dell’acciaio, meno tocca il ghiaccio e meno rallenta. Il compromesso giusto è un’arte, tra lucidatura, scelta della cera e capacità di usare uno slittino con la lama più piccola possibile pur mantenendo il controllo del mezzo.

Conta anche il tipo di metallo utilizzato?

In generale, dipende dal tipo di sport. In alcuni sport, come il bob, la Federazione Internazionale fornisce l’acciaio e si può usare solo quello. Nello slittino, invece, siamo liberi di usare diversi tipi di acciaio. Ce ne sono di più elastici e di meno elastici, anche la durezza è importante. Se l’acciaio è elastico, per esempio, si piegherà quando l’atleta entra in curva, e questo va bene. Ma poi si deve ripristinare rapidamente l’assetto iniziale, in modo che sul rettilineo non si stia sulla lamina ma sulla parte piatta lucidata.

Qual è la tua giornata tipica in queste occasioni?

Il mio compito è quello di preparare i pattini, ottimizzando il contatto tra l’acciaio delle lame e il ghiaccio. Molto dipende dal meteo e dal sistema di raffreddamento all’interno della pista ghiacciata: abbiamo 5-6 opzioni che valutiamo con l’allenatore e con gli atleti nel giorno della gara.

Controllate anche come cambia la pista con le condizioni ambientali?

Sì, per esempio l’umidità dell’aria è un parametro importante. Se è elevata, allora nel tempo si condenserà sul ghiaccio cambiandone le proprietà. Abbiamo strumenti diagnostici per determinare la qualità del ghiaccio su tutta la pista, sia nella zona di partenza, sia in quella di arrivo, sia nel mezzo. A volte le condizioni cambiano molto, per esempio può far freddo nella zona di partenza e più caldo in quella di arrivo, quindi bisogna trovare un compromesso o scegliere di ottimizzare la configurazione in una delle due condizioni.

Quanta parte della sua ricerca è dedicata alla scienza pura, e quanta allo sport?

Gran parte della mia ricerca è correlata alla chimica e alla fisica del ghiaccio in generale. Volendo quantificare, circa il 10% è dedicato allo sport. Lo sport è per me un hobby ed è sorprendente vedere come le idee su cui lavoriamo a livello scientifico funzionino anche in pista. È molto gratificante constatare che siamo in grado di abbassare il coefficiente di attrito e rendere gli atleti più veloci. Ma ovviamente non c’è solo l’attrito tra l’acciaio e il ghiaccio, di cui mi occupo io; c’è anche l’aerodinamica. Nello slittino, gli atleti devono evitare il vento e per farlo devono portare indietro la testa e andare alla cieca: nel momento in cui guardano avanti per vedere dov’è la curva successiva, perdono velocità a causa dell’aerodinamica. Quindi non è solo scienza, molto dipende da quanto sono audaci e ben allenati gli atleti.

Per le ricerche astronomiche, lei ha a che fare anche con le agenzie spaziali come la Nasa e l’Esa. Come si svolge la collaborazione?

Nei nostri laboratori, generiamo dati relativi a misure (come spettri infrarossi e Raman) dei diversi tipi di ghiaccio e li inseriamo in un database, che poi altri ricercatori usano per confrontarli con le osservazioni astronomiche dei corpi celesti.

C’è stata qualche scoperta che è stata particolarmente gratificante per lei?

Quattro anni fa, abbiamo scoperto un nuovo tipo di ghiaccio, che poi è stato trovato all’interno di una luna ghiacciata, Ganimede. Questo è stato molto gratificante e stiamo ancora lavorando molto per fornire i database spettroscopici di cui ho appena parlato, perché è qualcosa che è stato trascurato nella ricerca per diversi anni (era stato fatto molto negli Anni ’80 da un gruppo in Canada, ma poi c’è stata una pausa). Adesso, quarant’anni dopo, ci sono 10 forme di ghiaccio che all’epoca erano sconosciute, e stiamo fornendo tutti i dati aggiornati – ottenuti anche con macchine più moderne e con tecniche migliori. Spero che il James Webb Space Telescope e la nuova missione Juice – che esplorerà le lune ghiacciate di Giove – identifichino alcuni dei tipi di ghiaccio che abbiamo creato in laboratorio. In passato c’è stata la missione Rosetta che ha osservato la cometa 67P/Churyumov-Gerasimenko: in quel caso è stato possibile fare riferimento a tutto ciò che sapevamo sul ghiaccio amorfo, perché queste comete sono sempre composte di ghiaccio di questo tipo.

Qual è la sfida che l’appassiona di più?

Vorrei capire perché l’acqua è una sostanza chimica così anomala. Perché è l’unica sostanza necessaria alla vita? Che cosa la rende così speciale e diversa dalle altre?

Pensa che questo obiettivo sia a portata di mano?

Abbiamo già imparato molto, ma ci sono ancora tanti segreti che non comprendiamo.
Sono abbastanza sicuro che ci siano ancora secoli di ricerca davanti a noi, per cui quando andrò in pensione saremo ancora all’inizio. Anche solo pensando a quanti modi ci sono con cui le molecole d’acqua possono creare un cristallo di ghiaccio, non abbiamo ancora considerato, di gran lunga, tutto ciò che è possibile. In base ai calcoli al computer, si prevede che ci siano circa altre cinquanta forme di ghiaccio che potremmo ancora scoprire nel mondo reale e in laboratorio. Posso immaginare, ci stiamo lavorando, di scoprirne 3-4 in più nei prossimi dieci o quindici anni; ma sono abbastanza sicuro che non saremo in grado di trovare tutte le altre in questo tempo. Quindi c’è ancora molto lavoro da fare prima di poter dire di aver compreso appieno l’acqua.

Link e approfondimenti

• Il sito dei Giochi Olimpici Invernali di Milano Cortina 2026.