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 penelitian - hasilnya kemudian dipublikasikan di 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 ini telah memicu perdebatan sengit di kalangan ilmiah. Jika ini dikonfirmasi, maka penemuan tersebut akan diterapkan di banyak area. Jika ini dikonfirmasi, maka penemuan tersebut akan diterapkan 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 konfigurasi tertentu tergantung pada jumlah total energinya. Pada suhu tinggi (dan karenanya, pada tingkat energi yang lebih tinggi), lebih banyak konfigurasi tersedia untuk molekul, yaitu, mereka tidak terlalu tertata kaku dan bergerak relatif bebas (fase gas). Pada suhu yang lebih rendah, molekul memiliki konfigurasi yang lebih sedikit dan berada dalam fase yang lebih teratur (cair). Jika suhu turun lebih rendah, mereka akan mengasumsikan satu konfigurasi 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 jumlah kemungkinan konfigurasi yang lebih besar, yang berarti jumlah fasa meningkat. Ilustrasi yang sangat bagus tentang 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 molekulernya, banyak sifat fisik berubah secara dramatis ketika suatu zat berpindah dari satu keadaan ke keadaan lainnya. Dalam studi tersebut, para ilmuwan mengukur beberapa sifat kontrol air antara 0 dan 100 ℃ dalam kondisi atmosfer normal (sehingga air berbentuk cair). Tanpa diduga, mereka menemukan variasi dramatis dalam properti 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 berada di atas dan dua atom hidrogen "menemani" dari sisi-sisi. Elektron dalam molekul cenderung terdistribusi secara asimetris, itulah sebabnya molekul menerima muatan negatif dari sisi oksigen dibandingkan dengan sisi hidrogen. Ciri struktural sederhana ini mengarah pada fakta bahwa molekul air mulai berinteraksi satu sama lain dengan cara tertentu, muatan berlawanannya menarik, membentuk apa yang disebut ikatan hidrogen.
Video promosi:
Hal ini memungkinkan air dalam banyak kasus berperilaku berbeda dari yang diamati oleh cairan sederhana lainnya. Misalnya, tidak seperti kebanyakan zat lainnya, 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 lainnya adalah tegangan permukaan air cair, yang dua kali lipat tegangan permukaan cairan non-polar dan sederhana lainnya.
Airnya cukup sederhana, tetapi tidak berlebihan. Ini berarti bahwa satu-satunya penjelasan untuk fase tambahan air yang telah memanifestasikan dirinya adalah bahwa ia berperilaku seperti kristal cair. Ikatan hidrogen antar molekul mempertahankan urutan 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 (katakanlah, suhu) menyebabkan perubahan sifat fisik suatu zat, secara teoritis ini dapat digunakan untuk membuat peralatan penginderaan. Atau Anda dapat mendekatinya secara lebih mendasar - sistem biologis sebagian besar terdiri dari air. Bagaimana molekul organik (seperti protein) berinteraksi satu sama lain mungkin tergantung pada bagaimana molekul air membentuk fase cair. Jika Anda memahami bagaimana molekul air berperilaku rata-rata pada suhu yang berbeda, Anda dapat menjelaskan bagaimana mereka berinteraksi dalam sistem biologis.
Penemuan ini adalah kesempatan 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.
