Penemuan Es Baru Dapat Mengubah Pemahaman Kita tentang Air
Es yang baru ditemukan bersifat amorf—yaitu, molekul-molekulnya berada dalam bentuk yang tidak teratur, tidak tertata rapi seperti pada es kristal biasa. Es amorf, meski jarang di Bumi, adalah jenis es utama yang ditemukan di luar angkasa. Itu karena di lingkungan luar angkasa yang lebih dingin, es tidak memiliki energi panas yang cukup untuk membentuk kristal.
Untuk penelitian yang dipublikasikan di jurnal Science , tim peneliti menggunakan proses yang disebut penggilingan bola, mengocok es biasa dengan kuat bersama dengan bola baja di dalam toples yang didinginkan hingga -200 derajat Celcius.
Mereka menemukan bahwa, alih-alih berakhir dengan 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 menamakan es baru itu " es amorf kepadatan menengah " (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 kilometer di bulan seperti Ganymede.
Penulis senior Profesor Christoph Salzmann (UCL Chemistry) mengatakan, "Air adalah dasar dari semua kehidupan. Keberadaan kita bergantung padanya, kita meluncurkan misi luar angkasa untuk mencarinya, namun dari sudut pandang ilmiah hal itu kurang dipahami.
"Kami mengetahui 20 bentuk kristal es, tetapi hanya dua jenis utama es amorf yang sebelumnya telah ditemukan, yang dikenal sebagai es amorf dengan kepadatan tinggi dan kepadatan rendah. Ada kesenjangan kepadatan yang sangat besar di antara mereka dan kebijaksanaan yang diterima adalah bahwa tidak ada es di dalam celah densitas itu. Studi kami menunjukkan bahwa densitas MDA persis berada di dalam celah densitas ini dan temuan ini mungkin memiliki konsekuensi yang luas bagi pemahaman kita tentang air cair dan banyak 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 ini mungkin adalah air cair yang benar-benar 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) berkata, "Kami telah menunjukkan bahwa menciptakan sesuatu yang tampak seperti jenis air stop-motion adalah mungkin. Ini adalah penemuan yang tidak terduga dan cukup menakjubkan."
Penulis utama Dr. Alexander Rosu-Finsen, yang melakukan pekerjaan eksperimental saat berada di Kimia UCL, berkata, "Kami mengguncang es seperti orang gila untuk waktu yang lama dan menghancurkan struktur kristal. Daripada berakhir dengan potongan es yang lebih kecil, kami menyadari bahwa kami telah menemukan hal yang sama sekali baru, dengan beberapa sifat yang luar biasa."
Dengan meniru prosedur penggilingan bola melalui pemotongan es kristal secara acak berulang kali, tim juga membuat model komputasi MDA. Dr. Michael Davies, yang melakukan pemodelan komputasi saat Ph.D. mahasiswa di lab ICE (antarmuka, katalitik & lingkungan) di UCL dan University of Cambridge, mengatakan, "Penemuan MDA kami menimbulkan banyak pertanyaan tentang sifat air cair sehingga 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 (sehingga es mengapung). Selain itu, semakin banyak Anda memeras air cair, 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.
Penggilingan bola adalah teknik yang digunakan di beberapa industri untuk menggiling atau mencampur bahan, tetapi belum pernah diterapkan pada es. Dalam studi tersebut, nitrogen cair digunakan untuk mendinginkan tabung gerinda hingga -200 derajat Celcius dan densitas bola giling es ditentukan dari daya apungnya dalam nitrogen cair.
Para peneliti menggunakan sejumlah teknik lain untuk menganalisis struktur dan sifat MDA, termasuk difraksi sinar-X (melihat pola sinar-X yang dipantulkan dari es) dan spektroskopi Raman (melihat bagaimana es menyebarkan cahaya) di UCL. Kimia serta difraksi sudut kecil di UCL Center for Nature-Inspired Engineering untuk mengeksplorasi struktur jarak jauhnya. Mereka juga berhasil mereplikasi proses pembuatan es berkepadatan menengah dalam simulasi komputer, menggunakan Fasilitas Komputasi Kinerja Tinggi UCL Kathleen.
Selain itu, mereka menggunakan kalorimetri untuk menyelidiki panas yang dilepaskan ketika es berkepadatan sedang direkristalisasi pada suhu yang lebih hangat. Mereka menemukan bahwa, jika mereka memampatkan MDA dan kemudian menghangatkannya, ia melepaskan energi dalam jumlah yang sangat besar saat ia mengkristal kembali. Hal ini menunjukkan bahwa H2O dapat menjadi bahan geofisika berenergi tinggi yang dapat mendorong gerakan tektonik di bulan es di Bumi. tata surya.
