Les sports d'hiver comme le ski, patinage de vitesse, patinage artistique, et le curling nécessitent les surfaces glissantes de la glace et de la neige. Bien que le fait que la surface de la glace soit glissante soit largement reconnu, c'est loin d'être complètement compris. En 1886 Jean Joly, un physicien irlandais, a offert la première explication scientifique du faible frottement sur la glace; lorsqu'un objet - c'est-à-dire un patin à glace - touche la surface de la glace, la pression de contact locale est si élevée que la glace fond, créant ainsi une couche d'eau liquide qui lubrifie le glissement. Le consensus actuel est que bien que l'eau liquide à la surface de la glace réduise la friction de glissement sur la glace, cette eau liquide n'est pas fondue par la pression mais par la chaleur de friction produite lors du glissement.

Une équipe de chercheurs dirigée par les frères Prof. Daniel Bonn de l'Université d'Amsterdam et Prof. Mischa Bonn du MPI-P, ont maintenant démontré que le frottement sur la glace est plus complexe qu'on ne le supposait jusqu'à présent. Grâce à des expériences de frottement macroscopique à des températures allant de 0 °C à -100 °C, les chercheurs montrent que - étonnamment - la surface de la glace se transforme d'une surface extrêmement glissante aux températures typiques des sports d'hiver, sur une surface à frottement élevé à -100 °C.

Pour étudier l'origine de cette glissance dépendant de la température, les chercheurs ont effectué des mesures spectroscopiques de l'état des molécules d'eau à la surface, et les a comparés avec des simulations de dynamique moléculaire (MD). Cette combinaison d'expérience et de théorie révèle qu'il existe deux types de molécules d'eau à la surface de la glace :les molécules d'eau qui sont collées à la glace sous-jacente (liées par trois liaisons hydrogène) et les molécules d'eau mobiles qui ne sont liées que par deux liaisons hydrogène. Ces molécules d'eau mobiles roulent continuellement sur la glace - comme de minuscules sphères - alimentées par des vibrations thermiques.

Au fur et à mesure que la température augmente, les deux espèces de molécules de surface s'interconvertissent :le nombre de molécules d'eau mobiles augmente au détriment des molécules d'eau qui se fixent à la surface de la glace. Remarquablement, ce changement induit par la température dans la mobilité des molécules d'eau les plus hautes à la surface de la glace correspond parfaitement à la dépendance à la température de la force de friction mesurée :plus la mobilité à la surface est grande, plus le frottement est faible et vice versa. Les chercheurs concluent donc que - plutôt qu'une fine couche d'eau liquide sur la glace - la grande mobilité des molécules d'eau de surface est responsable de la glissance de la glace.

Bien que la mobilité de surface continue d'augmenter jusqu'à 0 °C, ce n'est pas la température idéale pour glisser sur la glace. Les expériences montrent que le frottement est en fait minime à -7 °C; la même température est imposée dans les patinoires de vitesse. Les chercheurs montrent qu'à des températures comprises entre -7 °C et 0 °C, la glisse est plus difficile car la glace devient plus molle, provoquant le glissement de l'objet à creuser plus profondément dans la glace.

Les résultats sont publiés dans le Journal des lettres de chimie physique .