Versi aslinya dari cerita ini muncul di Majalah Kuanta.
Alasan mengapa kita dapat meluncur dengan anggun di arena seluncur es atau dengan canggung tergelincir di trotoar yang licin adalah karena permukaan es dilapisi oleh lapisan tipis air. Para ilmuwan umumnya sepakat bahwa lapisan pelumas seperti cairan inilah yang membuat es menjadi licin. Namun mereka tidak sepakat mengenai alasan terbentuknya lapisan tersebut.
Tiga teori utama tentang fenomena ini telah diperdebatkan selama dua abad terakhir. Tahun lalu, peneliti di Jerman mengajukan hipotesis keempat yang menurut mereka memecahkan teka-teki itu.
Tapi benarkah? Konsensus terasa semakin dekat namun belum tercapai. Untuk saat ini, masalah licinnya masih terbuka.
Hipotesis 1: Tekanan
Pada pertengahan tahun 1800-an, seorang insinyur Inggris bernama James Thomson menyatakan bahwa ketika kita menginjak es, tekanan yang kita berikan akan melelehkan permukaannya sehingga membuatnya licin. Dalam kondisi normal, es mencair ketika suhu naik hingga 0 derajat Celsius (32 derajat Fahrenheit). Namun tekanan menurunkan titik lelehnya, sehingga bahkan pada suhu yang lebih rendah sekalipun, lapisan air dapat terbentuk di permukaan. Hubungan teoretis antara titik leleh dan tekanan ini secara eksperimental dikonfirmasi oleh adik laki-laki Thomson, William, yang lebih dikenal sebagai Lord Kelvin.
Namun, pada tahun 1930-an, Frank P. Bowden dan TP Hughes dari Laboratorium Kimia Fisika di Universitas Cambridge meragukan teori peleburan tekanan. Mereka dihitung bahwa rata-rata pemain ski memberikan terlalu sedikit tekanan untuk mengubah titik leleh es secara signifikan. Untuk melakukannya, pemain ski harus memiliki berat ribuan kilogram.
Hipotesis 2: Gesekan
Bowden dan Hughes mengajukan penjelasan alternatif mengenai pembentukan lapisan air: lapisan tersebut meleleh karena panas yang dihasilkan oleh gesekan yang disebabkan oleh benda apa pun yang meluncur ke atasnya.
Mereka menguji teorinya di gua es buatan di Pegunungan Alpen Swiss, menggunakan alat rumit untuk mengukur gesekan antara es dan material lainnya. Mereka menemukan bahwa gesekan lebih tinggi pada bahan yang mampu menghantarkan panas dengan baik, seperti kuningan, dibandingkan dengan bahan yang bersifat konduktor buruk seperti ebonit. Dari sini mereka menyimpulkan bahwa ketika es digosok dengan bahan yang mudah menyerap panas, maka lebih sedikit panas yang tersedia untuk melelehkan es, sehingga tidak terlalu licin. Hal ini mendukung teori mereka bahwa pencairan akibat gesekan bertanggung jawab atas licinnya es.
Meski penjelasan ini masih muncul di buku teks, banyak ilmuwan yang tidak sependapat. “Masalahnya adalah Anda hanya mencairkan es di belakang Anda, bukan es tempat Anda berseluncur,” kata Daniel Bonnseorang fisikawan di Universitas Amsterdam. Es bisa menjadi licin saat kita menginjaknya, sebelum terjadi gerakan apa pun yang dapat menyebabkan pemanasan akibat gesekan.
Kelompok Daniel Bonn di Universitas Amsterdam menciptakan arena seluncur es mikroskopis untuk menyelidiki pertanyaan tentang kelicinan.
Untuk menguji hipotesis gesekan, Bonn dan timnya menciptakan arena seluncur es mikroskopis. Mereka memutar sepotong logam (berdiri di belakang bilah sepatu skate) dengan kecepatan berbeda, setiap kali mengukur gaya yang diperlukan untuk menggerakkan logam dan gaya yang diberikan logam tersebut pada es. Rasio kekuatan-kekuatan ini memberi mereka ukuran licinnya es. Para ilmuwan menemukan bahwa licinnya es tidak bergantung pada kecepatan, sehingga menunjukkan bahwa pemanasan gesekan—yang seharusnya meningkat seiring kecepatan—bukanlah penyebab es licin.
Hipotesis 3: Peleburan awal
Ada kemungkinan lain: permukaan es sudah basah bahkan sebelum ada benda yang bersentuhan dengannya.
Pada tahun 1842, ilmuwan Inggris Michael Faraday mengamati bahwa dua es batu yang bersentuhan akan membeku satu sama lain, dan bahkan tangan yang hangat pun akan menempel pada es. Dia mengaitkan fenomena ini dengan lapisan tipis yang sudah meleleh di permukaan es yang terbuka, dan membeku kembali saat ditutup. Faraday tidak dapat menjelaskan mengapa hal ini terjadi, dan ilmuwan lain memerlukan waktu hampir satu abad—khususnya Charles Gurney Dan Woldemar Weyl—untuk mengusulkan mengapa “pelelehan awal permukaan” mungkin terjadi.
Mereka menyadari bahwa molekul-molekul di dekat permukaan berperilaku berbeda dari molekul-molekul yang berada jauh di dalam es. Es adalah kristal, yang berarti setiap molekul air terkunci dalam kisi periodik. Namun, di permukaan, molekul air memiliki lebih sedikit tetangga untuk berikatan sehingga memiliki lebih banyak kebebasan bergerak dibandingkan di es padat. Dalam apa yang disebut lapisan pra-pelelehan, molekul-molekul mudah dipindahkan oleh sepatu skate, ski, atau sepatu.
Saat ini, para ilmuwan umumnya sepakat bahwa lapisan pra-pelelehan itu ada, setidaknya mendekati titik leleh, namun mereka tidak sepakat mengenai perannya dalam licinnya es.
Beberapa tahun yang lalu, Luis MacDowellseorang fisikawan di Universitas Complutense Madrid, dan kolaboratornya berlari serangkaian simulasi untuk menentukan hipotesis mana—tekanan, gesekan, atau pencairan awal—yang paling menjelaskan licinnya es. “Dalam simulasi komputer, Anda dapat melihat atom bergerak,” katanya—sesuatu yang tidak mungkin dilakukan dalam eksperimen nyata. “Dan Anda sebenarnya dapat melihat tetangga atom-atom tersebut” untuk melihat apakah jarak atom-atom tersebut secara periodik, seperti dalam benda padat, atau tidak teratur, seperti dalam cairan.
Mereka mengamati bahwa balok es simulasi mereka memang dilapisi dengan lapisan mirip cairan yang tebalnya hanya beberapa molekul, seperti yang diprediksi oleh teori peleburan awal. Ketika mereka melakukan simulasi benda berat yang meluncur di permukaan es, lapisannya menebal, sesuai dengan teori tekanan. Terakhir, mereka mengeksplorasi pemanasan gesekan. Mendekati titik leleh es, lapisan pra-pelelehan sudah tebal, sehingga pemanasan gesekan tidak berdampak signifikan. Namun, pada suhu yang lebih rendah, benda yang meluncur menghasilkan panas yang melelehkan es dan mengentalkan lapisannya.
“Pesan kami adalah: Ketiga hipotesis kontroversial ini beroperasi secara bersamaan pada tingkat tertentu,” kata MacDowell.
Hipotesis 4: Amorfisasi
Atau mungkin mencairnya permukaan bukanlah penyebab utama licinnya es.
Baru-baru ini, tim peneliti di Universitas Saarland di Jerman mengidentifikasi argumen yang menentang ketiga teori yang ada. Pertama, agar tekanan cukup tinggi untuk mencairkan permukaan es, area kontak antara (katakanlah) papan ski dan es harus “sangat kecil”, mereka menulis. Kedua, untuk ski yang bergerak dengan kecepatan realistis, eksperimen menunjukkan bahwa jumlah panas yang dihasilkan oleh gesekan tidak cukup untuk menyebabkan pencairan. Ketiga, mereka menemukan bahwa pada suhu yang sangat dingin, es masih licin meski tidak ada lapisan yang mencair. (Molekul permukaan masih kekurangan molekul tetangganya, namun pada suhu rendah mereka tidak memiliki cukup energi untuk mengatasi ikatan kuat dengan molekul es padat.) “Jadi, licinnya es mungkin disebabkan oleh kombinasi semuanya atau beberapa di antaranya, atau ada hal lain yang belum kita ketahui,” kata Achraf Atilaseorang ilmuwan material di tim.
Ilmuwan material di Universitas Saarland di Jerman menunjukkan melalui simulasi komputer bahwa ketika dua balok es saling bergesekan, lapisan amorf di tengahnya secara bertahap menebal.
Para ilmuwan mencari penjelasan alternatif dalam penelitian terhadap zat lain, seperti berlian. Pemoles batu permata telah lama mengetahui dari pengalaman bahwa beberapa sisi berlian lebih mudah dipoles, atau “lebih lembut”, dibandingkan sisi lainnya. Pada tahun 2011, kelompok penelitian Jerman lainnya menerbitkan makalah menjelaskan fenomena ini. Mereka menciptakan simulasi komputer dari dua berlian yang saling meluncur. Atom-atom di permukaan secara mekanis ditarik keluar dari ikatannya, sehingga memungkinkan atom-atom tersebut bergerak, membentuk ikatan baru, dan seterusnya. Pergeseran ini membentuk lapisan “amorf” yang tidak berstruktur. Berbeda dengan sifat kristal berlian, lapisan ini tidak teratur dan berperilaku lebih seperti cairan daripada padat. Efek amorfisasi ini bergantung pada orientasi molekul pada permukaan, sehingga beberapa sisi kristal lebih lembut dibandingkan sisi lainnya.
Atila dan rekan-rekannya berpendapat bahwa mekanisme serupa terjadi di es. Mereka menyimulasikan permukaan es yang saling bergesekan, menjaga suhu sistem yang disimulasikan cukup rendah untuk memastikan tidak adanya pencairan. (Oleh karena itu, setiap permukaan yang licin mempunyai penjelasan yang berbeda.) Awalnya, permukaannya saling tarik-menarik, seperti magnet. Hal ini karena molekul air bersifat dipol, dengan konsentrasi muatan positif dan negatif yang tidak merata. Ujung positif suatu molekul menarik ujung negatif molekul lainnya. Daya tarik es menciptakan las kecil di antara permukaan geser. Saat permukaan es saling bergeser, lasan tersebut pecah dan terbentuklah lasan baru, yang secara bertahap mengubah struktur es.
Para ilmuwan mengulangi simulasi tersebut, mengganti salah satu permukaan es dengan material lain yang tertarik atau ditolak oleh air. Sekali lagi, molekul-molekul di permukaan es tergeser saat meluncur, tetapi lebih besar lagi jika zat lain menarik es.
Dalam simulasi lain yang dilakukan oleh tim Jerman, permukaan kasar yang lebih realistis meluncur melintasi es, menggantikan molekul permukaan.
Simulasi menunjukkan bahwa pergeseran secara mekanis menghancurkan kisi kristal es, menciptakan lapisan amorf yang menebal seiring dengan berlangsungnya pergeseran. Tim mengatakan bahwa hal ini, bukannya mencair, yang menyebabkan es menjadi licin—terutama pada suhu rendah.
Sebuah Konsensus Dipertahankan
MacDowell memercayai hasil Atila dan kolaboratornya, meskipun menurutnya amorfisasi hanya terjadi pada kecepatan geser tinggi (penulis tidak setuju, namun simulasi kecepatan geser rendah memerlukan daya komputasi yang sangat besar).
Bonn juga mendukung penjelasan baru tersebut, yang menurutnya sejalan dengan studi eksperimental terhadap objek yang meluncur di atas es diadakan oleh kelompoknya pada tahun 2021. Eksperimen dan simulasi baru tersebut menunjukkan bahwa es itu licin karena perubahan struktural pada permukaannya, meskipun para peneliti mengkarakterisasi apa yang terjadi dalam istilah yang berbeda. Atila percaya bahwa perubahan tersebut didorong oleh perpindahan mekanis molekul air, sedangkan Bonn berfokus pada seberapa mobile molekul permukaan pada awalnya. Dia membandingkan permukaan tersebut dengan lantai yang dipenuhi bola-bola kecil: “Karena bola-bola tersebut sangat mudah bergerak, mustahil untuk tetap tegak jika Anda berada di ruangan seperti itu. Sama seperti sangat sulit untuk tetap tegak ketika Anda berada di atas es.”
Perbedaan antara deskripsi mereka “adalah masalah semantik,” menurut Bonn, rekan penulis Atila Sergei Sukhomlinov tidak setuju. “Saya yakin ini adalah mekanisme yang berbeda, meski mungkin terlihat serupa,” katanya.
Kita tentu saja semakin dekat untuk menyelesaikan pertanyaan sederhana yang sudah berabad-abad lamanya tentang mengapa es itu licin. Pada titik ini, kurangnya kosakata yang sama di antara para peneliti mungkin menjadi salah satu hambatan terbesar dalam menyelesaikan masalah ini. Efek serupa mungkin diberi nama berbeda, sehingga menimbulkan hipotesis berbeda. Bonn juga menyalahkan fakta bahwa “peneliti es memang mempunyai pendapat yang berbeda dan kontradiktif, namun mereka tidak benar-benar mengatakan satu sama lain bahwa mereka tidak setuju satu sama lain.
Cerita asli dicetak ulang dengan izin dari Majalah Kuantasebuah publikasi independen secara editorial dari Yayasan Simons yang misinya adalah untuk meningkatkan pemahaman masyarakat terhadap sains dengan meliput perkembangan dan tren penelitian di bidang matematika serta ilmu fisika dan kehidupan.
