Para ilmuwan telah menemukan keadaan air yang baru

2024 Pengarang: Seth Attwood | [email protected]. Terakhir diubah: 2023-12-16 16:08

Salah satu hal dasar yang kita pelajari di kelas sains di sekolah adalah bahwa air dapat berada dalam tiga keadaan berbeda: es padat, air cair, atau uap gas. Namun baru-baru ini, tim ilmuwan internasional telah menemukan tanda-tanda bahwa air cair sebenarnya bisa ada di dua negara bagian yang berbeda.

Saat melakukan pekerjaan penelitian - hasilnya kemudian diterbitkan dalam International Journal of Nanotechnology - para ilmuwan secara tak terduga menemukan bahwa sejumlah sifat berubah dalam air dengan suhu 50 hingga 60. Tanda kemungkinan adanya keadaan cair kedua dari air telah memicu perdebatan sengit di kalangan ilmiah. Jika dikonfirmasi, maka penemuan itu akan menemukan aplikasi di banyak bidang, termasuk nanoteknologi dan biologi.

Keadaan agregat, yang juga disebut "fase", adalah konsep kunci dari teori sistem atom dan molekul. Secara kasar, sistem yang terdiri dari banyak molekul dapat diatur dalam bentuk sejumlah konfigurasi tertentu tergantung pada jumlah total energinya. Pada suhu tinggi (dan oleh karena itu pada tingkat energi yang lebih tinggi), lebih banyak konfigurasi tersedia untuk molekul, yaitu, mereka kurang terorganisir secara kaku dan bergerak relatif bebas (fase gas). Pada suhu yang lebih rendah, molekul memiliki konfigurasi yang lebih sedikit dan berada dalam fase (cair) yang lebih terorganisir. Jika suhu turun lebih rendah lagi, mereka akan mengasumsikan satu konfigurasi yang pasti dan membentuk padatan.

Ini adalah keadaan umum untuk molekul yang relatif sederhana seperti karbon dioksida atau metana, yang memiliki tiga keadaan berbeda (cair, padat, dan gas). Tetapi molekul yang lebih kompleks memiliki lebih banyak kemungkinan konfigurasi, yang berarti bahwa jumlah fase meningkat. Sebuah ilustrasi yang sangat baik dari hal ini adalah perilaku ganda kristal cair, yang terbentuk dari kompleks molekul organik dan dapat mengalir seperti cairan, tetapi masih mempertahankan struktur kristal padat.

Karena fase suatu zat ditentukan oleh konfigurasi molekulnya, banyak sifat fisik berubah secara dramatis ketika suatu zat berpindah dari satu keadaan ke keadaan lain. Dalam studi tersebut, para ilmuwan mengukur beberapa sifat kontrol air antara 0 dan 100 di bawah kondisi atmosfer normal (sehingga airnya cair). Tanpa diduga, mereka menemukan variasi dramatis dalam sifat seperti tegangan permukaan air dan indeks bias (indeks yang mencerminkan bagaimana cahaya bergerak melalui air) pada suhu sekitar 50.

Struktur khusus

Bagaimana ini mungkin? Struktur molekul air, H₂O, sangat menarik dan dapat digambarkan sebagai semacam panah, di mana atom oksigen terletak di bagian atas, dan dua atom hidrogen "menemani" dari sisi-sisinya. Elektron dalam molekul cenderung terdistribusi secara asimetris, itulah sebabnya molekul menerima muatan negatif dari sisi oksigen dibandingkan dengan sisi hidrogen. Fitur struktural sederhana ini mengarah pada fakta bahwa molekul air mulai berinteraksi satu sama lain dengan cara tertentu, muatan berlawanan mereka menarik, membentuk apa yang disebut ikatan hidrogen.

Hal ini memungkinkan air dalam banyak kasus berperilaku berbeda dari apa yang diamati oleh cairan sederhana lainnya. Misalnya, tidak seperti kebanyakan zat lain, massa air tertentu membutuhkan lebih banyak ruang dalam keadaan padat (dalam bentuk es) daripada dalam keadaan cair, karena fakta bahwa molekulnya membentuk struktur reguler tertentu. Contoh lain adalah tegangan permukaan air cair, yang dua kali lipat dari cairan non-polar lainnya yang lebih sederhana.

Airnya cukup sederhana, tetapi tidak berlebihan. Ini berarti bahwa satu-satunya penjelasan untuk fase tambahan air yang telah memanifestasikan dirinya adalah bahwa ia berperilaku sedikit seperti kristal cair. Ikatan hidrogen antar molekul mempertahankan tatanan tertentu pada suhu rendah, tetapi mereka juga dapat mencapai keadaan lain yang lebih bebas dengan meningkatnya suhu. Ini menjelaskan penyimpangan signifikan yang diamati oleh para ilmuwan selama penelitian.

Jika ini dikonfirmasi, kesimpulan penulis mungkin memiliki banyak kegunaan. Misalnya, jika perubahan lingkungan (misalnya, suhu) menyebabkan perubahan sifat fisik suatu zat, secara teoritis ini dapat digunakan untuk membuat peralatan suara. Atau Anda dapat mendekatinya secara lebih mendasar - sistem biologis sebagian besar terdiri dari air. Bagaimana molekul organik (seperti protein) berinteraksi satu sama lain kemungkinan besar bergantung pada bagaimana molekul air membentuk fase cair. Jika Anda memahami bagaimana molekul air berperilaku rata-rata pada suhu yang berbeda, Anda dapat mengklarifikasi bagaimana mereka berinteraksi dalam sistem biologis.

Penemuan ini adalah peluang besar bagi para ahli teori dan peneliti, serta contoh yang sangat baik dari fakta bahwa bahkan zat yang paling dikenal pun dapat menyembunyikan rahasia di dalam dirinya sendiri.

Rodrigo Ledesma Aguilar