Para ilmuwan di Universitas Tokyo telah mempelajari secara rinci struktur air sebagai cairan dan menemukan bahwa sifat-sifatnya bergantung pada rasio dua fase.
Semua orang tahu bahwa sifat-sifat air berbeda dari kebanyakan cairan: air mengembang saat membeku (oleh karena itu es lebih ringan), saat berkontraksi, viskositasnya menurun, dan seterusnya. Sifat-sifat yang nampaknya anomali ini dijelaskan kepada kita di sekolah dengan adanya ikatan hidrogen antar molekul. Namun, detailnya masih kurang dipahami, meskipun topiknya sangat penting baik untuk kimia maupun fisika. Sifat spesifik air juga digunakan dalam kedokteran dan disiplin ilmu teknis.
Institut Ilmu Industri Universitas Tokyo berhasil maju dalam memahami fenomena struktur air.
Air dalam bentuk cair membentuk struktur tetrahedral yang bersifat lokal, yang dibentuk dengan bantuan ikatan hidrogen - ini telah dikenal sejak lama. Ilmuwan Jepang telah menentukan bahwa air bukan hanya "air yang tidak teratur" di mana "partikel" dari "air tetrahedral" mengapung: sistemnya memiliki diagram keadaan yang mirip dengan fase padat.
Sebuah model telah dikembangkan yang menganggap air cair sebagai suatu sistem yang terdiri dari dua fase. Yang pertama adalah keadaan tidak teratur dengan simetri rotasi tinggi. Sederhananya, ini adalah tidak adanya pola pasti dalam "arah" molekul dalam cairan. Fase kedua tidak hanya tertata secara tetrahedral, tetapi juga secara termodinamika dalam keadaan non-keseimbangan. Interaksi keadaan ini dijelaskan oleh parameter lambda (λ), yang arti fisiknya adalah penilaian kekuatan relatif interaksi antarmolekul yang bersifat berpasangan dan rangkap tiga. Yaitu, biasa, antara dua molekul bebas, dan antara molekul yang menyusun struktur tetrahedral. Sejalan dengan itu, peningkatan parameter λ menunjukkan adanya peningkatan tatanan sistem.
Model ini terlihat sederhana, tetapi dapat memprediksi dengan baik perilaku abnormal air sebagai cairan.
Salah satu pemimpin penelitian, John Russo, menjelaskan: "… Saat λ meningkat, cangkang tetrahedral yang terbentuk di sekitar setiap molekul menjadi lebih stabil secara energetik." Ini mengkompensasi konsumsi energi untuk memesan struktur secara keseluruhan. Ilmuwan, dengan mengubah λ, telah membuat model diagram fase-keadaan, yang strukturnya bisa sangat tidak terduga. Jadi, gambar di sebelah kiri menunjukkan struktur air tipe Si34 - terbentuk di bawah tekanan negatif. Selain itu, strukturnya adalah klatrat, yaitu senyawa inklusi: beberapa molekul air berada dalam rongga struktur yang dibentuk oleh molekul lainnya.
Gambar struktur air dalam keadaan fase Si34 (kiri) dan diagram fase dalam koordinat λ / tekanan (kanan) / Institut Ilmu Industri, Universitas Tokyo.
Video promosi:
Ketergantungan yang terungkap tidak linier, pengaruh maksimum terhadap sifat-sifat air terjadi pada λ = 23,15.
Hajime Tanaka, salah satu pemimpin proyek, mencatat peran penting penelitian dalam kimia fisik.
Hubungan parameter makroskopis seperti viskositas dengan struktur mikroskopis yang dihasilkan dengan menggunakan model yang relatif sederhana memang merupakan pencapaian yang penting. Dari sudut pandang praktis, memahami struktur air harus membantu pengembangan filter halus yang efisien.
Anton Bugaychuk
