Mereka mengira bahwa molekul di dekat permukaan berperilaku berbeda dari yang berada jauh di dalam es. Es merupakan kristal, artinya setiap molekul air terkunci dalam kisi periodik. Namun, di permukaan, molekul air memiliki lebih sedikit tetangga untuk berikatan dan karenanya memiliki kebebasan gerak lebih besar dibandingkan dalam es padat. Pada lapisan yang disebut *premelted* tersebut, molekul mudah tergeser oleh sepatu skate, ski, atau sepatu biasa.
Kini, para ilmuwan umumnya sepakat bahwa lapisan *premelted* itu ada, setidaknya mendekati titik leleh, tetapi mereka berselisih paham mengenai perannya dalam kelicinan es.
Beberapa tahun lalu, Luis MacDowell, seorang fisikawan di Universitas Complutense Madrid, dan rekan-rekannya menjalankan serangkaian simulasi untuk menentukan mana dari tiga hipotesis—tekanan, gesekan, atau *premelting*—yang paling baik menjelaskan kelicinan es. “Dalam simulasi komputer, Anda dapat melihat atom-atom bergerak,” ujarnya—sesuatu yang tidak layak dilakukan dalam eksperimen nyata. “Dan Anda benar-benar dapat melihat tetangga dari atom-atom tersebut” untuk melihat apakah mereka tersusun secara periodik seperti padatan, atau tidak teratur seperti cairan.
Mereka mengamati bahwa balok es hasil simulasi memang diselubungi lapisan mirip cairan setebal beberapa molekul, sebagaimana diprediksi teori *premelting*. Ketika mereka mensimulasikan benda berat meluncur di permukaan es, lapisan itu menebal, sesuai dengan teori tekanan. Terakhir, mereka meneliti pemanasan akibat gesekan. Di dekat titik leleh es, lapisan *premelted* sudah tebal, sehingga pemanasan gesekan tidak berdampak signifikan. Namun, pada suhu lebih rendah, benda yang meluncur menghasilkan panas yang melelehkan es dan menebalkan lapisan tersebut.
“Pesan kami adalah: Ketiga hipotesis yang kontroversial itu beroperasi secara simultan dalam tingkat yang berbeda-beda,” kata MacDowell.
Hipotesis 4: Amorfisasi
Atau mungkin, pelelehan permukaan bukanlah penyebab utama kelicinan es.
Baru-baru ini, tim peneliti di Universitas Saarland di Jerman mengidentifikasi argumen yang menentang ketiga teori yang lazim diterima. Pertama, agar tekanan cukup tinggi untuk melelehkan permukaan es, area kontak antara (misalnya) ski dan es harus “terlalu kecil secara tidak masuk akal,” tulis mereka. Kedua, untuk ski yang bergerak pada kecepatan realistis, eksperimen menunjukkan bahwa jumlah panas yang dihasilkan gesekan tidak cukup untuk menyebabkan pelelehan. Ketiga, mereka menemukan bahwa pada suhu yang sangat rendah, es tetap licin meskipun tidak ada lapisan *premelted*. (Molekul permukaan memang kekurangan tetangga, tetapi pada suhu rendah mereka tidak memiliki energi cukup untuk mengatasi ikatan kuat dengan molekul es padat.) “Jadi, kelicinan es berasal dari kombinasi semua atau beberapa dari mereka, atau ada hal lain yang belum kita ketahui,” ujar Achraf Atila, seorang ilmuwan material dalam tim tersebut.
Ilmuwan material di Universitas Saarland di Jerman menunjukkan dalam simulasi komputer bahwa ketika dua balok es saling bergesekan, sebuah lapisan amorf di antaranya secara bertahap menebal.
Courtesy of Saarland University
Para ilmuwan mencari penjelasan alternatif dalam riset tentang substansi lain, seperti berlian. Para pemoles batu permata telah lama mengetahui dari pengalaman bahwa beberapa sisi berlian lebih mudah dipoles, atau “lebih lunak,” daripada yang lain. Pada 2011, kelompok peneliti Jerman lain menerbitkan makalah yang menjelaskan fenomena ini. Mereka membuat simulasi komputer dua berlian yang saling bergesekan. Atom-atom di permukaan secara mekanis tercabut dari ikatannya, yang memungkinkan mereka bergerak, membentuk ikatan baru, dan seterusnya. Gesekan ini membentuk lapisan tak berbentuk, atau “amorf”. Berbeda dengan sifat kristal berlian, lapisan ini tidak teratur dan berperilaku lebih mirip cairan daripada padatan. Efek amorfisasi ini bergantung pada orientasi molekul di permukaan, sehingga beberapa sisi kristal lebih lunak daripada yang lain.
Atila dan rekannya berargumen bahwa mekanisme serupa terjadi pada es. Mereka mensimulasikan permukaan es yang saling bergesekan, menjaga suhu sistem simulasi cukup rendah untuk memastikan tidak ada pelelehan. (Oleh karena itu, kelicinan apa pun akan memiliki penjelasan berbeda.) Awalnya, permukaan saling tarik menarik, mirip seperti magnet. Hal ini karena molekul air adalah dwikutub, dengan konsentrasi muatan positif dan negatif yang tidak merata. Ujung positif satu molekul menarik ujung negatif molekul lain. Daya tarik dalam es menciptakan lasan kecil antara permukaan yang bergesekan. Saat permukaan saling bergeser, lasan itu terputus dan yang baru terbentuk, secara bertahap mengubah struktur es.