Melawan Takdir Fisika: Ketika Es “Enggan Mencair” di Suhu Kamar

NAMUN, ilmu pengetahuan modern kembali menunjukkan bahwa alam jauh lebih rumit daripada yang tampak. Di laboratorium fisika material, para peneliti berhasil menunjukkan bahwa air ternyata dapat berada dalam keadaan padat tanpa mengikuti perilaku es yang kita kenal sehari-hari. Mereka mempelajari bentuk air yang disebut Amorphous Solid Water (ASW) atau air padat amorf, suatu fase padat yang memiliki sifat sangat berbeda dari es biasa.

Dalam kondisi tertentu, material ini tidak langsung berubah menjadi air meski berada pada suhu yang secara normal sudah cukup untuk melelehkan es. Temuan tersebut bukan berarti hukum termodinamika dilanggar, melainkan menunjukkan bahwa struktur internal suatu material dapat membuat perilakunya berbeda dari yang selama ini kita pahami.

Penemuan ini membuka jendela baru untuk memahami sifat dasar air, salah satu molekul paling sederhana sekaligus paling misterius di alam semesta.

Air Ternyata Memiliki Banyak “Wajah”

Selama ini kebanyakan orang hanya mengenal tiga fase air: padat, cair, dan gas. Padahal, para ilmuwan telah menemukan bahwa air memiliki lebih dari 20 fase berbeda ketika berada pada kombinasi tekanan dan suhu tertentu.

Sebagian besar fase tersebut merupakan berbagai jenis es dengan struktur kristal yang berbeda-beda. Es yang terbentuk di freezer rumah merupakan Ice Ih, yakni es dengan struktur heksagonal yang stabil pada tekanan atmosfer.

“Meskipun es heksagonal merupakan satu-satunya bentuk es yang ditemukan secara alami di Bumi, sebagian besar air padat di alam semesta justru berada dalam bentuk amorf,” ujar Zachary Amato dari Rutherford Appleton Laboratory, Inggris dan Peneliti ASW.

Namun, di bawah tekanan yang sangat tinggi atau suhu yang sangat rendah, molekul-molekul air dapat membentuk susunan yang sama sekali berbeda. Di sinilah muncul Amorphous Solid Water, yaitu air padat yang tidak memiliki pola kristal teratur.

Alih-alih tersusun seperti kisi-kisi geometris yang rapi, molekul air pada ASW tersusun secara acak, menyerupai struktur kaca. Karena itulah para ilmuwan sering menyebutnya sebagai glassy water atau air berbentuk kaca.

Fenomena ini sebenarnya telah diketahui sejak puluhan tahun lalu. ASW banyak ditemukan secara alami di ruang angkasa, terutama pada permukaan debu antarbintang, inti komet, satelit es, dan awan molekuler yang sangat dingin. Di lingkungan tersebut, uap air membeku begitu cepat sehingga molekul-molekulnya tidak sempat menyusun diri menjadi kristal.

“ASW berperilaku seperti padatan amorf yang terlebih dahulu berubah menjadi cairan sangat superdingin sebelum akhirnya membentuk Kristal,” ucap Bruce D. Kay dari Pacific Northwest National Laboratory.

Mengapa Es Biasa Mudah Mencair?

Es konvensional memiliki struktur kristal yang sangat teratur. Setiap molekul air berada pada posisi tertentu yang membentuk pola berulang.

Ketika suhu meningkat, energi panas membuat molekul-molekul tersebut bergetar semakin kuat. Getaran itu akhirnya memutus ikatan hidrogen yang menjaga struktur kristal tetap stabil. Begitu jaringan kristal runtuh, es berubah menjadi air cair.

Seluruh proses ini berlangsung sangat cepat karena struktur kristal memang dirancang alam untuk berubah ketika menerima energi panas yang cukup.

Inilah sebabnya mengapa es batu yang dikeluarkan dari freezer akan segera mencair ketika diletakkan di atas meja.

Struktur Acak

Keadaan menjadi berbeda pada Amorphous Solid Water. Di dalam material ini, molekul air tidak membentuk kisi kristal yang teratur. Sebaliknya, molekul-molekul tersebut membeku dalam posisi yang acak dan “terkunci”.

Struktur seperti itu membuat material memasuki kondisi yang dalam ilmu material dikenal sebagai keadaan metastabil, yakni keadaan yang sebenarnya bukan kondisi paling stabil, tetapi dapat bertahan cukup lama karena ada hambatan energi yang besar untuk berubah.

Dengan menggunakan teknik tekanan tinggi dan pengaturan kondisi yang sangat presisi, para peneliti dapat mempertahankan susunan amorf tersebut sehingga transisi menuju fase cair menjadi jauh lebih sulit dibandingkan es biasa.

Artinya, sebelum mencair, molekul-molekul air harus terlebih dahulu mengatasi hambatan energi yang lebih besar daripada yang dialami es kristal.

Fenomena ini bukan berarti ASW kebal terhadap panas. Material tersebut tetap akan berubah apabila kondisi tertentu tercapai. Namun, jalur perubahan fasenya jauh lebih kompleks sehingga perilakunya tampak “enggan mencair”.

Dalam ilmu material, kondisi seperti ini juga ditemukan pada berbagai jenis kaca logam (metallic glass), polimer amorf, hingga silikon amorf yang digunakan pada panel surya.

Lebih Mirip Kaca

Karena tidak memiliki struktur kristal, banyak ilmuwan menganggap ASW lebih dekat dengan kategori kaca dibandingkan es. Kaca sendiri sebenarnya bukan padatan kristal, melainkan cairan yang mengalami pembekuan tanpa sempat membentuk pola atom yang teratur.

Prinsip serupa terjadi pada ASW. Molekul air “dibekukan” sebelum sempat menyusun kisi kristal sebagaimana terjadi pada es konvensional. Konsep inilah yang membuat penelitian mengenai air amorf menjadi sangat penting dalam ilmu fisika kaca (glass physics), salah satu bidang yang hingga kini masih menyimpan banyak pertanyaan mendasar.

Bahkan hingga sekarang, ilmuwan masih memperdebatkan bagaimana tepatnya air bertransisi dari keadaan cair menuju fase kaca dan bagaimana hubungan berbagai bentuk air amorf dengan air cair pada suhu sangat rendah.

Membuka Rahasia Air

Air mungkin tampak sederhana karena hanya terdiri atas dua atom hidrogen dan satu atom oksigen. Namun, justru molekul sederhana ini memiliki perilaku yang sangat kompleks.

Air menunjukkan banyak anomali yang tidak dimiliki zat lain, seperti mengembang saat membeku, memiliki kapasitas panas yang tinggi, serta mampu membentuk jaringan ikatan hidrogen yang sangat dinamis.

Banyak fisikawan bahkan menyebut air sebagai salah satu material paling “aneh” di alam. Penelitian mengenai ASW membantu ilmuwan memahami bagaimana molekul-molekul air berinteraksi dalam kondisi ekstrem. Pengetahuan tersebut penting untuk menjelaskan berbagai fenomena alam, mulai dari pembentukan es di ruang angkasa hingga proses pembentukan planet dan komet miliaran tahun lalu.

Inspirasi bagi Material Masa Depan

Dampak penelitian ini tidak berhenti pada ilmu air. Memahami bagaimana suatu material dapat dikunci dalam fase amorf memberikan inspirasi baru dalam pengembangan berbagai material berteknologi tinggi.

“Air padat amorf merupakan salah satu material padat yang paling umum di seluruh alam semesta,” terang Helen J. Fraser dari The Open University yang sekaligus peneliti ASW.

Prinsip serupa telah digunakan untuk menciptakan kaca logam yang sangat kuat, material optik dengan karakteristik khusus, hingga komponen elektronik yang lebih tahan terhadap perubahan suhu.

Pengetahuan mengenai transisi antara fase kristal dan fase amorf juga sangat penting dalam pengembangan baterai generasi baru, material semikonduktor, memori komputer berbasis perubahan fase (phase-change memory), hingga material superkonduktor.

Semakin baik ilmuwan memahami bagaimana atom dan molekul dapat dipertahankan dalam keadaan metastabil, semakin besar peluang untuk menciptakan material dengan sifat-sifat yang sebelumnya dianggap mustahil. hay