Para peneliti dari UCL dan University of Cambridge telah menemukan jenis baru dari es yang lebih menyerupai air daripada es biasanya. Temuan ini mungkin mengubah pemahaman kita tentang air dan berbagai anomalinya.
Jenis es yang baru ditemukan ini bersifat amorf. Yaitu jenis zat padat dengan struktur partikel yang tidak teratur. Molekul di dalam zat amorf memiliki susunan yang tidak stabil, baik secara fisika atau pun kimia. Jadi tidak tertata rapi seperti pada es kristal biasa. Es amorf, meski jarang di Bumi, adalah jenis es yang paling banyak ditemukan di luar angkasa. Hal itu disebabkan karena di lingkungan luar angkasa yang jauh lebih dingin, es tidak memiliki energi panas yang mencukupi untuk berbentuk kristal.
Untuk penelitian yang dipublikasikan di jurnal Science, tim peneliti menggunakan proses yang disebut penggilingan bola. Suatu teknik dengan cara mengaduk-aduk es biasa dan bola baja bersama-sama secara kuat, dalam sebuah toples yang didinginkan hingga suhunya mencapai -200 derajat Celcius.
Mereka menemukan bahwa, alih-alih menjadi berbagai potongan kecil es biasa, proses tersebut menghasilkan bentuk es amorf baru yang, tidak seperti semua es lain yang diketahui, memiliki kerapatan yang sama dengan air cair dan yang keadaannya menyerupai air dalam bentuk padat. Mereka menamai jenis es baru ini sebagai “medium-density amorphous ice” (MDA).
Tim menyarankan bahwa MDA (yang terlihat seperti bubuk putih halus) mungkin ada di dalam bulan es di tata surya bagian luar, karena gaya pasang surut dari raksasa gas seperti Jupiter dan Saturnus dapat mengerahkan gaya geser serupa pada es biasa seperti yang diciptakan oleh penggilingan bola. Selain itu, tim menemukan bahwa ketika MDA dihangatkan dan direkristalisasi, MDA melepaskan panas dalam jumlah yang luar biasa, yang berarti dapat memicu gerakan tektonik dan “gempa es” di lapisan es setebal kiloan meter seperti di bulan Jupiter, Ganymede.
“Air adalah dasar dari semua kehidupan. Keberadaan kita bergantung padanya, kami meluncurkan misi luar angkasa untuk mencarinya, namun dari sudut pandang ilmiah hal itu kurang dipahami,” kata penulis senior Professor Christoph Salzmann dari UCL Chemistry.
“Kami mengetahui 20 bentuk es kristal, tetapi hanya dua jenis utama es amorf yang sebelumnya telah ditemukan, yang dikenal sebagai es amorf dengan kepadatan tinggi dan kepadatan rendah. Ada celah kepadatan yang sangat besar di antara mereka dan kebijaksanaan yang diterima adalah bahwa tidak ada es di dalam celah kepadatan itu. Studi kami menunjukkan bahwa densitas MDA persis berada di dalam celah densitas ini dan temuan ini mungkin memiliki konsekuensi luas bagi pemahaman kita tentang air cair dan berbagai anomalinya.”
Kesenjangan kepadatan antara es amorf yang diketahui telah menyebabkan para ilmuwan menyarankan air sebenarnya ada sebagai dua cairan pada suhu yang sangat dingin dan secara teoritis, pada suhu tertentu, kedua cairan ini dapat hidup berdampingan, dengan satu jenis mengambang di atas yang lain, seperti pencampuran minyak dan air. Hipotesis ini telah didemonstrasikan dalam simulasi komputer, tetapi tidak dikonfirmasi oleh eksperimen. Para peneliti mengatakan bahwa studi baru mereka dapat menimbulkan pertanyaan tentang validitas gagasan ini.
Profesor Salzmann berkata: “Model air yang ada harus diuji ulang. Mereka harus mampu menjelaskan keberadaan es amorf dengan kepadatan sedang. Ini bisa menjadi titik awal untuk akhirnya menjelaskan air cair.”
Para peneliti mengusulkan bahwa es yang baru ditemukan mungkin merupakan keadaan air cair yang seperti kaca – yaitu, replika yang tepat dari air cair dalam bentuk padat, dengan cara yang sama seperti kaca di jendela adalah bentuk padat silikon dioksida cair. Namun, skenario lain adalah bahwa MDA sama sekali tidak seperti kaca, tetapi dalam keadaan kristal yang sangat terpotong.
Rekan penulis Profesor Andrea Sella (UCL Chemistry) mengatakan: “Kami telah menunjukkan bahwa menciptakan sesuatu yang tampak seperti jenis air stop-motion adalah mungkin. Ini adalah penemuan yang tidak terduga dan sangat menakjubkan.”
Penulis utama Dr Alexander Rosu-Finsen, yang melakukan pekerjaan eksperimental saat berada di UCL Chemistry, mengatakan: “Kami mengguncang es seperti orang gila untuk waktu yang lama dan menghancurkan struktur kristal. Daripada berakhir dengan bongkahan es yang lebih kecil, kami menyadari bahwa kami telah menemukan jenis yang sama sekali baru, dengan beberapa sifat yang luar biasa.”
Dengan meniru prosedur pengadukan bola melalui pemotongan es kristal secara acak berulang kali, tim juga membuat model komputasi MDA. Dr Michael Davies, yang melakukan pemodelan komputasi saat menjadi mahasiswa PhD di laboratorium ICE (interfaces, catalytic & environmental) di UCL dan Universitas Cambridge, mengatakan: “Penemuan MDA kami menimbulkan banyak pertanyaan tentang sifat air cair dan jadi memahami struktur atom MDA yang tepat sangatlah penting.”
Air memiliki banyak anomali yang telah lama membingungkan para ilmuwan. Misalnya, air paling padat pada suhu 4 derajat Celcius dan menjadi kurang padat saat membeku (karena itulah es mengapung). Selain itu, semakin banyak Anda mengompres air, semakin mudah mengompresnya, menyimpang dari prinsip yang berlaku untuk sebagian besar zat lainnya.
Es amorf pertama kali ditemukan dalam bentuk kepadatan rendah pada tahun 1930-an ketika para ilmuwan mengembunkan uap air pada permukaan logam yang didinginkan hingga -110 derajat Celcius. Kepadatannya yang tinggi ditemukan pada 1980-an ketika es biasa dikompresi pada suhu hampir -200 derajat Celcius. Sementara umum di luar angkasa, di Bumi, es amorf diperkirakan hanya terjadi di bagian atas atmosfer yang dingin.
