Teknologi Pabrik
Para ilmuwan baru saja menemukan bentuk es yang benar-benar baru—dan uniknya, jenis es ini bisa terbentuk di suhu ruang! Penemuan ini membuka rahasia baru tentang bagaimana air berperilaku di bawah tekanan ekstrem, seperti yang mungkin terjadi di dalam bulan-bulan es di tata surya kita.
Kita mengenal es sebagai air beku yang terbentuk di suhu dingin. Namun, dunia ilmiah tahu bahwa es tak sesederhana itu. Hingga kini, sudah ada lebih dari 20 jenis “fase” es yang berbeda, masing-masing memiliki susunan molekul yang unik. Fase-fase ini diberi nama dengan angka Romawi—mulai dari ice I, ice II, ice III, dan seterusnya.
Kini, daftar tersebut bertambah panjang dengan hadirnya ice XXI, fase baru yang ditemukan oleh tim ilmuwan internasional yang dipimpin oleh Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS). Penemuan ini dilakukan menggunakan fasilitas sinar-X supercanggih di European XFEL dan PETRA III, dan hasilnya telah diterbitkan dalam jurnal Nature Materials.
Ice XXI: Es yang Lahir dari Tekanan Ekstrem
Berbeda dari bentuk es lainnya, ice XXI terbentuk ketika air cair dikompresi secara sangat cepat di tekanan luar biasa tinggi—bahkan sambil tetap berada di suhu ruang. Kondisi ini disebut “supercompressed water”, atau air yang tertekan secara ekstrem.
Menariknya, ice XXI termasuk jenis metastabil, artinya ia bisa bertahan sementara meski seharusnya ada bentuk es lain yang lebih stabil di kondisi serupa. Fenomena ini memberikan petunjuk penting tentang bagaimana air berubah bentuk di tekanan tinggi, seperti yang terjadi jauh di dalam bulan es seperti Titan dan Ganymede milik planet Jupiter dan Saturnus.
Rahasia dari Molekul Sederhana
Meski hanya terdiri dari dua unsur—hidrogen dan oksigen—air adalah salah satu zat paling kompleks di alam semesta. Dalam keadaan padat, air dapat membentuk banyak struktur kristal tergantung tekanan dan suhu.
Menurut peneliti KRISS, Geun Woo Lee, kompresi cepat membuat air tetap cair hingga tekanan yang seharusnya sudah membuatnya menjadi es VI—fase es yang dipercaya ada di interior bulan-bulan es. Struktur es VI yang “terdistorsi” inilah yang mungkin memungkinkan munculnya berbagai bentuk es metastabil seperti ice XXI.
Untuk menciptakan kondisi ekstrem ini, para ilmuwan menggunakan diamond anvil cell—alat yang menjepit setetes air di antara dua ujung berlian yang sangat keras. Dengan alat ini, tekanan bisa ditingkatkan hingga dua gigapascal (sekitar 20.000 kali tekanan udara normal). Pada tekanan ini, air bisa membeku di suhu ruang, tapi dengan struktur molekul yang jauh lebih rapat dari es biasa.
Menangkap Detik-Detik Pembentukan Es Baru
Proses pembentukan ice XXI diamati menggunakan kilatan sinar-X berkecepatan sangat tinggi dari European XFEL. Dalam percobaan, air dikompresi hingga dua gigapascal dalam waktu hanya 10 milidetik, lalu tekanan dilepas selama satu detik, dan proses ini diulang ribuan kali.
Dengan sinar-X yang memotret setiap mikrodetik (sejuta per detik), para ilmuwan bisa membuat semacam film yang memperlihatkan bagaimana air berubah menjadi es dalam tekanan ekstrem.
Struktur Kristal yang Tak Biasa
Analisis lebih lanjut di fasilitas PETRA III menunjukkan bahwa ice XXI memiliki struktur kristal tetragonal—seperti kubus yang sedikit terdistorsi—dengan unit sel berukuran besar yang jarang ditemukan pada bentuk es lain.
“Dengan pulsa sinar-X unik dari European XFEL, kami berhasil mengungkap beberapa jalur kristalisasi dalam air yang dikompresi dan didekompresi ribuan kali,” jelas Geun Woo Lee. Sementara itu, Cornelius Strohm dari tim DESY HIBEF menambahkan bahwa eksperimen ini dilakukan menggunakan sel tekanan khusus yang memungkinkan kontrol tekanan yang sangat presisi.
Petunjuk untuk Dunia Lain
Temuan ini menunjukkan bahwa mungkin masih banyak bentuk es metastabil lain yang bisa muncul pada suhu tinggi dan tekanan ekstrem. “Penemuan ini memberi wawasan baru tentang kemungkinan komposisi dan dinamika di dalam bulan-bulan es,” kata Rachel Husband dari tim HIBEF.
Baik DESY maupun European XFEL kini terus memperdalam penelitian tentang air—melalui proyek Centre for Molecular Water Science dan program Water Call, yang memang dirancang untuk mendorong eksperimen inovatif seputar sifat air.
“Luar biasa melihat hasil menakjubkan dari inisiatif Water Call kami,” ujar Sakura Pascarelli, Direktur Sains European XFEL. “Penemuan ice XXI ini hanyalah permulaan dari banyak kejutan lain yang menanti.”