Sekitar 70% permukaan Bumi ditutupi oleh air, suatu zat yang unik dan anomali yang seringkali berperilaku berbeda dibandingkan cairan lainnya. Kini, sebuah temuan ilmiah baru dapat membantu menjelaskan keanehan air tersebut, dengan menangkap gambaran langka mengenai keadaan air sebelum membeku menjadi es.
Mungkin tidak banyak terpikirkan, namun air merupakan zat yang sangat aneh. Sifat-sifat air, seperti densitas, viskositas, dan kapasitas panasnya, merespons suhu dan tekanan dengan cara yang seolah-olah menentang hukum alam. Sementara cairan lain semakin memadat saat didinginkan, air justru lebih padat dalam wujud cair daripada padat. Itulah sebabnya balok es mengapung di dalam segelas air.
Untuk membantu menjelaskan perilaku aneh air, tim peneliti dari Universitas Stockholm menggunakan laser sinar-X untuk menyelidiki air dalam keadaan superdingin. Temuan tim yang dipublikasikan pekan lalu di jurnal Science, mengungkap bukti adanya titik kritis yang terkait dengan dua keadaan cair berbeda pada suhu sangat rendah.
Dingin Membeku
Biasanya, semua materi menyusut ketika didinginkan, sehingga densitasnya meningkat. Sebaliknya, air mencapai densitas tertingginya pada suhu 39 derajat Fahrenheit (4 derajat Celsius). Jika air didinginkan di bawah suhu tersebut, ia mulai mengembang kembali. Laju ekspansi air bahkan semakin cepat seiring penurunan suhu.
“Selama beberapa dekade, terdapat spekulasi dan berbagai teori untuk menjelaskan sifat-sifat luar biasa ini, dan salah satu teorinya adalah keberadaan titik kritis,” ujar Anders Nilsson, profesor fisika kimia di Universitas Stockholm dan penulis bersama studi baru tersebut, dalam sebuah pernyataan. “Kami kini telah menemukan bahwa titik tersebut ada.”
Para peneliti di balik studi ini menggunakan pulsa laser sinar-X ultra-cepat, memungkinkan mereka mengamati air dalam skala waktu yang sangat singkat. “Yang istimewa adalah kami dapat melakukan pencitraan sinar-X dengan kecepatan luar biasa sebelum es terbentuk, dan mengamati bagaimana transisi cair-cair menghilang serta keadaan kritis baru muncul,” jelas Nilsson.
Ketika Dua Menjadi Satu
Dengan menyelidiki air cukup cepat untuk menangkap strukturnya sebelum mengkristal menjadi es, peneliti menemukan bahwa air dapat eksis sebagai dua fase cair berbeda dengan struktur ikatan molekuler yang berlainan di bawah suhu rendah dan tekanan tinggi. Dua bentuk air ini kemudian menjadi tak terbedakan sebagai satu fase tunggal pada titik kritis.
Menurut studi tersebut, dinamika molekuler air melambat signifikan saat mendekati titik kritis. “Terlihat hampir seperti Anda tidak dapat keluar dari titik kritis jika sudah memasukinya, mirip seperti Lubang Hitam,” kata Robin Tyburski, peneliti fisika kimia di Universitas Stockholm dan penulis bersama studi, dalam pernyataan.
Titik kritis ini dapat membantu menjelaskan sifat-sifat aneh air. Saat air mendekati titik ini, ia menjadi tidak stabil dan bergeser antara dua keadaan cair pada tingkat mikroskopis. Fluktuasi inilah yang memberikan air kemampuan uniknya.
“Telah terjadi perdebatan intens mengenai asal-usul sifat aneh air,” ujar Nilsson. “Para peneliti yang mempelajari fisika air kini dapat sepakat pada model bahwa air memiliki titik kritis dalam rezim superdingin.”
“Tahap berikutnya adalah menemukan implikasi temuan ini terhadap pentingnya air dalam proses fisika, kimia, biologi, geologi, dan terkait iklim,” tambahnya.