Pertama Kalinya, Ilmuwan Menangkap 'Tarikan Kuantum' Antar Molekul Air

Nationalgeographic.co.id - Untuk pertama kalinya, para ilmuwan menangkap "tarikan kuantum" antara molekul air yang berdekatan. Penelitian tersebut menyoroti jaringan ikatan hidrogen yang memberikan sifat aneh pada air, yang memainkan peran penting dalam banyak proses kimia dan biologi.

Tim ilmuwan yang terdiri dari peneliti dari Department of Energy’s SLAC National Accelerator Laboratory, Stanford University and Stockholm University di Swedia melakukan pengamatan langsung dengan sinar laser. Tujuannya untuk mengetahui bagaimana atom hidrogen dalam molekul air menarik dan mendorong molekul air tetangganya ketika tereksitasi.

Seperti diketahui, bahwa air adalah cairan yang paling melimpah tetapi paling sedikit dipahami di alam ini. Itu menunjukan banyak perilaku aneh yang masih sulit dijelaskan oleh para ilmuwan.

Sebagian besar cairan menjadi lebih padat saat semakin dingin, air menjadi sangat padat pada 39 derajat Fahrenheit, tepat di atas titik bekunya. Inilah sebabnya mengapa es mengapung ke atas gelas minum dan danau membeku dari permukaan ke bawah, memungkinkan kehidupan laut bertahan hidup di musim dingin.

Air juga memiliki tegangan permukaan yang luar biasa tinggi, sehingga memungkinkan serangga berjalan di permukaannya. Air juga memiliki kapasitas besar untuk menyimpan panas, menjaga suhu laut tetap stabil.

Dan penelitian kali ini mencoba mengungkapkan efek yang dapat mendukung aspek-aspek kunci dari asal usul mikroskopis sifat aneh air dan dapat mengarah pada pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana air membantu fungsi protein dalam organisme hidup. Hasil penelitian tersebut telah dipublikasikan di Jurnal Nature pada 25 Agustus 2021.

Baca Juga: Jika Seekor Ikan Sedang Kehausan, Apakah Dia Meminum Air Laut?

"Pertanyaannya apakah efek kuantum ini bisa menjadi mata rantai yang hilang dalam model teoretis yang menggambarkan sifat anomali air," ia menambahkan.

Setiap molekul air mengandung satu atom oksigen dan dua atom hidrogen, dan jaringan ikatan hidrogen antara atom hidrogen bermuatan positif dalam satu molekul dan atom oksigen bermuatan negatif dalam molekul tetangga menyatukan semuanya. Jaringan rumit ini adalah kekuatan pendorong di balik banyak sifat air yang tidak dapat dijelaskan, tetapi sampai saat ini, para peneliti tidak dapat secara langsung mengamati bagaimana molekul air berinteraksi dengan tetangganya.

Sementara itu, kolaborator Kelly Gaffney, seorang ilmuwan di Stanford Pulse Institute di SLAC mengatakan bahwa studi ini adalah yang pertama secara langsung menunjukkan bahwa respons jaringan ikatan hidrogen terhadap impuls energi sangat bergantung pada sifat mekanika kuantum tentang bagaimana atom hidrogen ditempatkan.

Baca Juga: Penelitian Terbaru, Terdapat Air Melimpah di Kerak Planet Ceres

Hal itu yang telah lama disarankan sebagai yang bertanggung jawab atas atribut unik air dan jaringan ikatan hidrogennya. “Massa atom hidrogen yang rendah menonjolkan perilaku seperti gelombang kuantum mereka,” katanya.

Bagaimana Penelitian Dilakukan?

Hingga saat ini, melakukan pengamatan ini merupakan tantangan karena gerakan ikatan hidrogen sangat kecil dan cepat. Eksperimen ini mengatasi masalah itu dengan menggunakan MeV-UED SLAC, "kamera elektron" berkecepatan tinggi yang mendeteksi gerakan molekul halus dengan menyebarkan berkas elektron yang kuat dari sampel.

Tim peneliti menciptakan semburan air cair setebal 100 nanometer, sekitar 1.000 kali lebih tipis dari rambut manusia, dan mengatur molekul air bergetar dengan sinar laser inframerah. Peneliti kemudian meledakkan molekul dengan dorongan pendek elektron berenergi tinggi dari MeV-UED. Itu menghasilkan potret resolusi tinggi dari struktur atom pergeseran molekul yang dirangkai menjadi film stop-motion tentang bagaimana jaringan molekul air merespons cahaya.

Baca Juga: Jika Seekor Ikan Sedang Kehausan, Apakah Dia Meminum Air Laut?

Dari cuplikasi yang dapat ditangkap, ilmuwan mengungkapkan bahwa ketika molekul air yang tereksitasi mulai bergetar, atom hidrogennya menarik atom oksigen dari molekul air tetangga lebih dekat sebelum mendorongnya menjauh dengan kekuatan barunya, memperluas ruang di antara molekul.

“Untuk waktu yang lama, para peneliti telah mencoba untuk memahami jaringan ikatan hidrogen menggunakan teknik spektroskopi. Keindahan dari eksperimen ini adalah untuk pertama kalinya kami dapat mengamati secara langsung bagaimana molekul-molekul ini bergerak,” kata Jie Yang, mantan ilmuwan SLAC dan sekarang menjadi profesor di Tsinghua University di Tiongkok.

Para peneliti berharap untuk menggunakan metode ini untuk mendapatkan lebih banyak wawasan tentang sifat kuantum ikatan hidrogen dan peran yang mereka mainkan dalam sifat aneh air, serta peran kunci yang dimainkan sifat ini dalam banyak proses kimia dan biologis.

“Sekarang kita akhirnya dapat melihat ikatan hidrogen bergerak, kami ingin menghubungkan gerakan itu dengan gambaran yang lebih luas, yang dapat menjelaskan bagaimana air menyebabkan asal usul dan kelangsungan hidup kehidupan di Bumi dan menginformasikan pengembangan metode energi terbarukan,” kata Xijie Wang, staf ilmuwan dan kolaborator studi terkemuka SLAC.

Baca Juga: Air Adalah Kehidupan, Seberapa Besarkah Cadangan Air Tanah Kita?

 

PROMOTED CONTENT