Les premiers patins à glace ont été fabriqués il y a 4000 ans par les Finlandais en attachant des os émoussés à la semelle des chaussures. Vers le XIVe siècle, les Hollandais ont inventé les patins en acier, et le patinage sur glace est devenu une activité de mode en Europe, notamment grâce au patinage de vitesse et au patinage artistique. Mais pourquoi les patins à glace aident-ils à patiner ? Nous marchons grâce à la friction entre les chaussures et le sol, et sans cette friction, nous ne pourrions pas avancer. En revanche, pour le patinage sur glace, moins de friction permet de patiner plus facilement. Les patins permettent d’obtenir rapidement une impulsion de départ et d’accélération, de réduire la friction pendant le glissement et de maintenir la stabilité. Mais pourquoi la friction entre la glace et les patins est-elle si faible ? Si l’on place une couche de fluide entre deux solides, la friction sera grandement réduite, et c’est le principe de lubrification. Les scientifiques ont étudié la surface de contact entre les patins et la glace et ont découvert que la faible friction était due à la présence d’une couche d’eau entre les deux, qui joue un rôle de lubrification.
À l’origine, on pensait que l’eau entre les patins et la glace provenait d’une transition phase solide-liquide : la glace se transformerait en eau sous haute pression. Mais on a ensuite découvert que, en dessous de -22 °C, même la plus forte des pressions ne ferait pas fondre la glace, elle passerait simplement d’une phase à l’autre sans se transformer en eau. Alors pourquoi peut-on patiner librement même à -30 °C ? On a ensuite compris que, même en dessous du point de fusion, la surface de la glace contient une couche de liquide, appelée fusion superficielle. Plus on s’approche du point de fusion, plus cette couche de liquide est épaisse. Entre -35 et 0 °C, elle a une épaisseur d’environ 10 nanomètres. Bien sûr, la présence d’impuretés peut également affecter l’épaisseur de cette couche de liquide. Par exemple, le sel rend cette couche plus épaisse. Pourquoi cette couche de liquide existe-t-elle ? En 2004, deux scientifiques japonais l’ont expliquée par une simulation de dynamique moléculaire. Les molécules d’eau à l’intérieur de la glace sont soumises à des forces provenant des molécules voisines, ce qui crée un réseau cristallin stable. Les molécules d’eau à la surface, étant exposées d’un côté, sont moins stables et ont du mal à former un réseau cristallin régulier, préférant une forme amorphe, c’est-à-dire une couche de liquide. Du point de vue du mouvement thermique des molécules, les molécules d’eau oscillent autour de leur position d’équilibre. Comme les molécules de surface sont moins stables, leurs oscillations sont plus importantes que celles des molécules internes, et cette différence d’amplitude des oscillations augmente à mesure que l’on s’approche du point de fusion. Ainsi, plus on s’approche du point de fusion, plus la couche de liquide est épaisse et plus elle ressemble à de l’eau pure. Selon les résultats actuels, trois facteurs contribuent à la formation de cette couche de liquide : la fusion sous haute pression, le chauffage par friction et la présence d’une couche de liquide à la surface de la glace. Ces trois mécanismes contribuent différemment à la formation de la couche de liquide selon la température. Quand la température est très proche du point de fusion de la glace (par exemple, supérieure à -3,5 °C), la contribution de la fusion sous haute pression est maximale ; quand la température est très éloignée du point de fusion (par exemple, -30 °C), la contribution du chauffage par friction est maximale ; et quand la température est très éloignée du point de fusion et qu’elle est stable, la contribution de la couche de liquide est maximale. C’est donc la présence de cette couche d’eau entre les patins et la glace qui permet de patiner sans difficulté à des températures très basses.