Ilmuwan Menemukan Rahasia-rahasia Mencengangkan di Balik Air

Share:

Saat peneliti berhasil memecahkan kode DNA dan atom air, banyak yang mengira air merupakan bahan dasar kehidupan yang telah dipahami dengan baik.

Namun, percobaan terbaru menunjukkan, molekul air yang terhubung bersama menunjukkan hasil yang bertentangan. Kini, ilmuwan mengaku tak memahami lika-liku cara kerja air. “Struktur air merupakan pertanyaan utama dalam kimia dan fisika,” ujar Richard Saykally dari University of California, Berkeley (UC Berkeley).

Studi yang Bertentangan

Tim ilmuwan yang dipimpin Anders Nilsson dari Stanford Linear Accelerator Center membuktikan, air terikat secara lebih longgar dibanding perkiraan sebelumnya. Tentunya, respon yang muncul tak semua baik. “Banyak orang punya pendapat yang sangat kuat mengenai air,” ujar Nilsson.

Menurut Saykally dan beberapa peneliti lain, hasil penelitian kelompok Nilsson merupakan revisi drastis cara pemahaman air. “Jika mereka benar, mereka akan memenangkan Hadiah Nobel,” ujar Saykally. 

Namun, pada di salah satu jurnal Science, Saykally dan rekannya menerbitkan hasil revisi dari temuan tersebut yang bertentangan pula.

Kurangnya pemahaman

Sebesar 70% permukaan Bumi merupakan air dan menjadi komponen utama (sekitar 80%) makhluk hidup. Namun, hal ini jauh dari kata biasa. Bentuk padat air, es, mengapung bukan tenggelam, seperti zat kebanyakan. Air mampu menyimpan panas dengan sangat baik.

Tingginya tegangan permukaan air menunjukkan betapa molekul air ‘benci’ berpisah. Memahami keanehan air memerlukan studi merinci mengenai interaksi molekul. “Kami kira kami memahami segala sesuatu ada mengenai molekul tunggal air. Apa yang tak kami ketahui dengan baik adalah, cara air berinteraksi satu sama lain,” ujar Saykally.

Molekul tunggal air terlihat seperti huruf V dengan satu atom oksigen di titik bawah dan dua atom hidrogen di atas. Atom-atom ini saling berbagi elektron bermuatan negatif dan membentuk hubungan kuat yang disebut ikatan kovalen. Atom oksigen mendapat lebih banyak elektron yang membuatnya sedikit negatif.

Alhasil, ujung hidrogen menjadi sedikit positif. Pergeseran kecil ini bertanggung jawab menarik molekul air satu sama lain. Saykally menjelaskan, tiap molekul air memiliki kaki dan tangan. Tangannya merupakan atom hidrogen bermuatan positif, sedangkan kaki menjuntai dari sisi negatif oksigen.

“Tangan tak bisa memegang tangan dan kaki tak bisa memegang kaki,” kata Saykally. Namun, tangan bisa memegang kaki dalam apa yang disebut ikatan hidrogen. Ikatan hidrogen 10 kali lebih lemah dari ikatan kovalen namun ikatan ini merupakan kunci misteri air.

Memecah Ikatan

Dalam es, tiap molekul memegang kaki dan tangan dari empat tetangga terdekatnya. Penempatan tetangga ini membentuk tetrahedron, atau piramida tiga-sisi. Saat es mencair, pertanyaan besarnya adalah, apa yang terjadi pada bentuk ini. Pada gambar tradisional, air terus terlihat seperti es dengan empat ikatan hidrogen di sekitar tiap molekul.

Perbedaan dalam bentuk cair adalah, pada waktu tertentu, sekitar 10% ikatan hidrogen rusak. Sebaliknya, tim Nilsson mengklaim, air mengambil struktur baru di mana molekul dasarnya hanya memegang dua tetangganya. Pada suhu kamar, 80% molekul air berada dalam kondisi ini, sedangkan sisanya memiliki empat ikatan hidrogen tradisional.

Implikasi model dua-ikatan baru ini membuat air cair sebagian besar terdiri dari rantai dan mungkin cincin tertutup, sebagai lawan jaringan yang lebih ketat dari tetrahedron.

Di balik kontroversi

Kedua kelompok ini mendasarkan pada gambar terpisah pada penafsiran data sinar-X berbeda. Saat sinar-X mengenai molekul air, sinar ini memukul elektron yang terikat erat ke tepi molekul. Hal ini serupa menendang Merkurius keluar ke orbit Pluto.

Para fisikawan mengukur energi yang bergantung pada lingkungan molekul air. Artinya, elektron orbit Pluto bertindak sebagai mikroskop yang peneliti gunakan untuk melihat jenis ikatan molekul yang telah dibuat dengan tetangganya.

Meski menafsirkan data mikroskop ini tak mudah, kelompok Nilsson pun menggunakan simulasi computer yang diverifikasi melalui pengujian zat sederhana, seperti es. Saat tim ini meneliti pengukuran air, mereka menemukan, komputer berhasil memberi struktur dua-ikatan longgar terbaik.

Namun, Saykally tak mengira simulasi ini bisa dilakukan pada air cair. Tim Saykally menghindari model komputer melalui pengukuran suhu air yang mempengaruhi pengukuran sinar-X. Pada suhu yang lebih tinggi, ikatan akan membengkok dan meregang, dan mikroskop seharusnya bisa melihatnya.

Pada gilirannya, metode Saykally tak membuat Nilsson yakin. “Ada banyak asumsi dalam analisa,” katanya. Ia juga menganggap pengukuran suhu oleh tim Saykally mungkin salah. Nilsson dan Saykally bukan hanya ilmuwan yang berdebat mengenai hal ini. 

Namun ada satu hal mereka setujui, “Perdebatan ini menunjukkan, kita tak memahami air dengan baik, setidaknya pada skala mikroskopis,” kata Nilsson.