눈이 왜 미끄러운지는 아무도 모릅니다.

그들은 표면 근처의 분자가 얼음 내부의 분자와 다르게 행동한다는 것을 발견했습니다. 얼음은 결정체입니다. 이는 각 물 분자가 주기적인 격자에 갇혀 있음을 의미합니다. 그러나 표면에서 물 분자는 결합할 이웃이 적기 때문에 고체 얼음보다 더 자유롭게 이동할 수 있습니다. 소위 미리 녹은 층에서 분자는 스케이트, 스키 또는 부츠로 쉽게 대체됩니다.

오늘날 과학자들은 적어도 녹는점 가까이에 미리 녹은 층이 존재한다는 데 일반적으로 동의하지만, 얼음이 미끄러지는 역할에 대해서는 의견이 다릅니다.

몇 년 전, 물리학자 루이스 맥도웰(Luis McDowell)과 마드리드 콤플루텐세 대학(Complutense University of Madrid)의 동료들은 압력, 마찰 또는 사전 용융이라는 세 가지 가설 중 얼음 미끄러짐을 가장 잘 설명하는 가설을 확립하기 위해 일련의 시뮬레이션을 실행했습니다. “컴퓨터 시뮬레이션에서는 원자가 움직이는 것을 볼 수 있습니다”라고 그는 말했습니다. 이는 실제 실험에서는 불가능한 일입니다. “그리고 실제로 그 원자들의 이웃을 보면” 그들이 고체처럼 주기적으로 간격을 두고 있는지, 아니면 액체처럼 무질서한지 확인할 수 있습니다.

그들은 시뮬레이션된 얼음 블록이 사전 용융 이론에서 예측한 대로 실제로 몇 분자 두께의 액체와 같은 층으로 코팅되어 있음을 관찰했습니다. 무거운 물체가 얼음 표면을 가로질러 미끄러지는 것을 시뮬레이션했을 때 압력 이론과 일치하게 층이 두꺼워졌습니다. 결국 그는 마찰열을 발견했습니다. 얼음이 녹는점 근처에서는 미리 녹은 층이 이미 두꺼워서 마찰열이 얼음에 큰 영향을 미치지 않았습니다. 그러나 낮은 온도에서는 미끄러지는 물체가 열을 발생시켜 얼음을 녹이고 층을 두껍게 만들었습니다.

“우리의 메시지는 논쟁의 여지가 있는 세 가지 가설 모두 한 수준 또는 다른 수준에서 함께 작동한다는 것입니다”라고 McDowell은 말했습니다.

가설 4: 비정질화

아니면 표면이 녹는 것이 얼음 미끄러짐의 주요 원인이 아닐 수도 있습니다.

최근 독일 자를란트 대학교(Saarland University) 연구진은 세 가지 널리 퍼진 이론에 반대되는 주장을 확인했습니다. 첫째, 눈 표면을 녹일 만큼 압력이 충분하려면 스키와 눈 사이의 접촉 면적이 “과도하게 작아야” 한다고 그는 썼습니다. 둘째, 실제 속도로 움직이는 스키의 경우 실험을 통해 마찰로 인해 발생하는 열의 양이 녹는 데 충분하지 않은 것으로 나타났습니다. 셋째, 그들은 극도로 추운 기온에서도 얼음이 미리 녹은 층이 없더라도 여전히 미끄럽다는 것을 발견했습니다. (표면 분자에는 여전히 이웃이 부족하지만 저온에서는 고체 얼음 분자와의 강한 결합을 극복할 만큼 에너지가 충분하지 않습니다.) “따라서 얼음 미끄러짐은 이들 모두 또는 일부의 조합으로 인해 발생하거나 아직 우리가 모르는 다른 것이 있습니다”라고 팀의 재료 과학자인 Achraf Attila가 말했습니다.

과학자들은 다이아몬드와 같은 다른 물질에 대한 연구에서 대안적인 설명을 찾았습니다. 보석 연마 전문가들은 다이아몬드의 일부 가장자리가 다른 가장자리보다 연마하기가 더 쉽거나 “더 부드럽다”는 사실을 오랫동안 경험을 통해 알고 있었습니다. 2011년 독일의 또 다른 연구 그룹은 이 현상을 설명하는 논문을 발표했습니다. 그들은 두 개의 다이아몬드가 서로 미끄러지는 컴퓨터 시뮬레이션을 만들었습니다. 표면의 원자는 결합에서 기계적으로 당겨져 이동하고 새로운 결합을 형성하는 등의 작업을 수행했습니다. 이 미끄러짐으로 인해 구조가 없는 “비정질” 층이 생성되었습니다. 다이아몬드의 결정질 특성과 달리 이 층은 무질서하고 고체보다는 액체처럼 거동합니다. 이 변형 효과는 표면의 분자 방향에 따라 달라지므로 결정의 일부 가장자리는 다른 가장자리보다 부드럽습니다.

Attila와 그의 동료들은 얼음에도 비슷한 메커니즘이 존재한다고 주장합니다. 그들은 서로 미끄러지는 얼음 표면을 시뮬레이션하여 녹는 현상이 발생하지 않도록 시뮬레이션된 시스템의 온도를 충분히 낮게 유지했습니다. (그래서 어떤 미끄러짐이라도 설명이 달라집니다.) 처음에는 표면이 자석처럼 서로 끌어당겼습니다. 이는 물 분자가 양극성이어서 양전하와 음전하의 농도가 동일하지 않기 때문입니다. 한 분자의 양극 끝은 다른 분자의 음극 끝을 끌어당깁니다. 얼음의 인력으로 인해 미끄러지는 표면 사이에 작은 용접이 형성되었습니다. 표면이 서로 미끄러지면서 용접이 깨지고 새로운 용접이 형성되어 점차적으로 얼음의 구성이 바뀌었습니다.