Salah satu hal paling mendasar yang diajarkan kepada kita di kelas sains sekolah adalah bahwa air dapat eksis di tiga keadaan berbeda, baik sebagai es padat, air cair, atau gas uap. Tetapi tim ilmuwan internasional baru-baru ini menemukan tanda-tanda bahwa air cair mungkin sebenarnya datang di dua negara yang berbeda.
Menulis dalam makalah eksperimental, yang diterbitkan dalam International Journal of Nanotechnology, para peneliti terkejut menemukan sejumlah sifat fisik air mengubah perilaku mereka antara 50 ℃ dan 60 ℃. Ini tanda potensi perubahan ke keadaan cair kedua dapat memicu diskusi panas di komunitas ilmiah. Dan, jika dikonfirmasi, itu bisa memiliki implikasi untuk berbagai bidang, termasuk nanoteknologi dan biologi.
Keadaan materi, juga disebut "fase", adalah konsep kunci dalam studi sistem yang terbuat dari atom dan molekul. Secara kasar, sistem yang terbentuk dari banyak molekul dapat diatur dalam sejumlah konfigurasi tergantung pada energi totalnya. Pada suhu yang lebih tinggi (dan karena itu energi yang lebih tinggi), molekul memiliki konfigurasi yang lebih mungkin sehingga lebih tidak teratur dan dapat bergerak relatif bebas (fase gas). Pada suhu yang lebih rendah, molekul memiliki jumlah konfigurasi yang lebih terbatas sehingga membentuk fase yang lebih teratur (cairan). Jika suhu turun lebih jauh, mereka mengatur diri mereka dalam konfigurasi yang sangat spesifik, menghasilkan padatan.
Gambaran ini umum untuk molekul yang relatif sederhana seperti karbon dioksida atau metana, yang memiliki tiga keadaan berbeda yang jernih (cair, padat dan gas). Tetapi untuk molekul yang lebih kompleks, ada sejumlah besar kemungkinan konfigurasi dan ini menimbulkan lebih banyak fase. Sebuah ilustrasi yang indah tentang hal ini adalah perilaku kaya kristal cair, yang dibentuk oleh molekul organik kompleks dan dapat mengalir seperti cairan, tetapi masih memiliki struktur kristal seperti padat.
Karena fase suatu zat ditentukan oleh bagaimana molekul-molekulnya dikonfigurasikan, banyak sifat fisik zat itu akan berubah secara tiba-tiba ketika berpindah dari satu keadaan ke keadaan lain. Dalam makalah baru-baru ini, para peneliti mengukur beberapa sifat fisik air pada suhu antara 0 ℃ dan 100 ℃ dalam kondisi atmosfer normal (artinya air adalah cairan). Anehnya, mereka menemukan kekusutan pada sifat-sifat seperti tegangan permukaan air dan indeks biasnya (ukuran bagaimana cahaya melintasi itu) di sekitar 50 ℃.
Bagaimana ini bisa terjadi? Struktur molekul air, H2O, sangat menarik dan dapat digambarkan seperti semacam ujung panah, dengan dua atom hidrogen mengapit atom oksigen di bagian atas. Elektron dalam molekul cenderung didistribusikan dengan cara yang agak asimetris, membuat sisi oksigen bermuatan negatif relatif terhadap sisi hidrogen. Fitur struktural sederhana ini mengarah ke semacam interaksi antara molekul air yang dikenal sebagai ikatan hidrogen, di mana muatan yang berlawanan menarik satu sama lain.
Ini memberikan sifat air yang, dalam banyak kasus, mematahkan tren yang diamati untuk cairan sederhana lainnya. Sebagai contoh, tidak seperti kebanyakan zat lain, massa air yang tetap mengambil lebih banyak ruang sebagai padatan (es) daripada sebagai (cair) karena cara molekul membentuk struktur reguler tertentu. Contoh lain adalah tegangan permukaan air cair, yang kira-kira dua kali lipat dari cairan non-polar, lebih sederhana, lainnya.
Air cukup sederhana, tetapi tidak terlalu sederhana. Ini berarti bahwa satu kemungkinan untuk menjelaskan fase ekstra air adalah bahwa ia berperilaku sedikit seperti kristal cair. Ikatan hidrogen antara molekul menjaga ketertiban pada suhu rendah, tetapi akhirnya bisa mengambil fase cair kedua yang kurang teratur pada suhu yang lebih tinggi. Ini bisa menjelaskan kekusutan yang diamati oleh para peneliti dalam data mereka.
Jika dikonfirmasi, temuan penulis dapat memiliki banyak aplikasi. Misalnya, jika perubahan lingkungan (seperti suhu) menyebabkan perubahan sifat fisik suatu zat, maka ini berpotensi digunakan untuk merasakan aplikasi. Mungkin lebih mendasar, sistem biologis sebagian besar terbuat dari air. Bagaimana molekul biologis (seperti protein) berinteraksi satu sama lain kemungkinan tergantung pada cara spesifik di mana molekul air mengatur untuk membentuk fase cair. Memahami bagaimana molekul air mengatur diri mereka sendiri rata-rata pada suhu yang berbeda dapat menjelaskan cara mereka berinteraksi dalam sistem biologis.
Penemuan ini adalah kesempatan yang menarik bagi para ahli teori dan eksperimental, dan contoh yang indah tentang bagaimana bahkan zat yang paling akrab sekalipun masih memiliki rahasia yang bersembunyi di dalamnya.
Artikel ini awalnya diterbitkan di The Conversation. Baca artikel aslinya.
