Ice XXI: Es Jenis Baru yang Ditemukan Ilmuwan, Terbentuk dalam Tekanan Ekstrem

Citra optik diukur secara simultan dengan lima jenis kurva P–t.(Nature Materials)

ES krim hadir dalam berbagai rasa, tetapi bahkan es murni yang hanya tersusun dari molekul air ternyata juga memiliki “rasa” atau bentuk yang jauh lebih beragam dari yang kita bayangkan.

Para ilmuwan telah lama mengetahui bahwa es tidak hanya satu jenis: ada lebih dari 20 bentuk padat atau fase yang berbeda, ditentukan oleh cara molekul air tersusun di dalamnya. Fase-fase ini dinamai dengan angka Romawi, seperti es I, es II, atau es III. Kini, daftar itu bertambah panjang dengan hadirnya bentuk baru: ice XXI (es XXI).

Penemuan fase baru ini dipimpin oleh para ilmuwan dari Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS) dan dipublikasikan dalam jurnal Nature Materials.

Terbentuk di Tekanan Ekstrem

Tim peneliti internasional yang terdiri atas ilmuwan dari berbagai negara melakukan eksperimen di dua fasilitas canggih: European XFEL, laser sinar-X terbesar di dunia, dan PETRA III, sumber foton berenergi tinggi milik DESY di Jerman.

Fase ice XXI memiliki struktur yang benar-benar berbeda dari semua fase es yang pernah ditemukan sebelumnya. Fase ini terbentuk ketika air dikompresi secara cepat hingga menjadi air supertertekan (supercompressed water) pada suhu kamar.

Es ini juga bersifat metastabil artinya dapat bertahan untuk sementara waktu walaupun pada kondisi tersebut seharusnya bentuk es lain lebih stabil.

Penemuan ini memberi wawasan penting tentang bagaimana es bertekanan tinggi dapat terbentuk di alam semesta, termasuk di planet dan bulan dengan kondisi ekstrem.

Rahasia Kompleksitas Air

Air (H₂O) tampak sederhana karena hanya tersusun dari dua unsur hidrogen dan oksigen. Namun dalam bentuk padatnya, air menampilkan kompleksitas yang luar biasa. Sebagian besar fase es muncul di tekanan tinggi dan suhu rendah, kondisi yang jarang kita temui di Bumi.

Melalui penelitian ini, tim ilmuwan berhasil memahami lebih dalam bagaimana berbagai fase es terbentuk dan berubah sesuai tekanan yang dialami.

“Kompresi cepat memungkinkan air tetap berada dalam keadaan cair pada tekanan yang lebih tinggi, di mana seharusnya air tersebut sudah mengkristal menjadi es VI,” jelas Geun Woo Lee, ilmuwan dari KRISS.

Es VI sendiri menarik perhatian para peneliti karena diduga terdapat di bagian dalam bulan-bulan es seperti Titan dan Ganymede. Struktur es VI yang sangat terdistorsi memungkinkan terjadinya jalur transisi yang kompleks yang dapat menghasilkan fase-fase metastabil seperti es XXI.

Diciptakan di Antara Dua Berlian

Karena sebagian besar bentuk es hanya bisa eksis dalam kondisi ekstrem, para peneliti menciptakannya menggunakan alat bernama diamond anvil cell sebuah perangkat yang menjepit sampel di antara dua ujung berlian yang sangat keras untuk menghasilkan tekanan ekstrem.

Dalam eksperimen ini, air ditempatkan di antara dua berlian dan diberi tekanan hingga dua gigapascal, sekitar 20.000 kali tekanan udara normal. Dalam kondisi itu, air membentuk es bahkan pada suhu kamar, namun molekul-molekulnya jauh lebih rapat dibandingkan es biasa.

Untuk mengamati proses pembentukan es tersebut, para ilmuwan menaikkan tekanan hingga dua gigapascal hanya dalam waktu 10 milidetik (seperseribu detik), dengan laju kompresi mencapai 120 gigapascal per detik.

Tekanan kemudian dilepaskan perlahan selama 1 detik menggunakan penggerak piezoelektrik, yang memanfaatkan bahan piezoelektrik untuk mengembang atau menyusut saat diberi medan listrik.

‘Film’ Pembentukan Es XXI

Selama siklus kompresi ini, tim menggunakan kilatan sinar-X dari European XFEL untuk mengambil gambar sampel setiap mikrodetik (sejuta kali per detik). Dengan pulsa sinar-X berfrekuensi sangat tinggi layaknya kamera berkecepatan super para peneliti mampu membuat semacam “film” yang merekam bagaimana struktur es terbentuk dan berubah.

Dalam eksperimen lanjutan di beamline P02.2 PETRA III, mereka menemukan bahwa es XXI memiliki struktur kristal tetragonal dengan unit berulang (unit cell) berukuran besar yang mengejutkan.

“Dengan pulsa sinar-X unik dari European XFEL, kami berhasil mengungkap berbagai jalur kristalisasi dalam H₂O yang dikompresi dan didekompresi dengan cepat lebih dari 1.000 kali menggunakan dynamic diamond anvil cell,” jelas Lee.

“Dalam sel tekanan khusus ini, sampel dijepit di antara ujung dua berlian yang saling berhadapan dan dapat dikompresi mengikuti jalur tekanan yang telah ditentukan,” tambah Cornelius Strohm dari tim DESY HIBEF, yang mengimplementasikan pengaturan tersebut di instrumen High Energy Density (HED) milik European XFEL.

Petunjuk untuk Dunia Es di Tata Surya

Menurut Lee, struktur di mana air cair mengkristal sangat bergantung pada tingkat superkompresi yang dialaminya.

“Struktur tempat H₂O cair mengkristal bergantung pada tingkat superkompresi yang dialaminya,” ujarnya.

Sementara itu, Rachel Husband dari tim DESY HIBEF menambahkan bahwa hasil penelitian ini membuka kemungkinan adanya lebih banyak fase es metastabil bersuhu tinggi yang belum ditemukan.

“Temuan kami menunjukkan bahwa kemungkinan terdapat lebih banyak fase es metastabil bersuhu tinggi dan jalur transisi terkaitnya, yang berpotensi memberikan wawasan baru tentang komposisi bulan-bulan es,” ungkap Husband.

Penelitian ini tak hanya mengubah pemahaman tentang sifat dasar air, tetapi juga memberi petunjuk tentang kondisi geofisika di dunia-dunia es seperti Europa, Ganymede, dan Titan, yang mungkin memiliki lapisan es bertekanan tinggi di bawah permukaannya.

Langkah Maju dari “Water Call”

Direktur Ilmiah European XFEL, Sakura Pascarelli, menilai penemuan ini sebagai pencapaian besar dari program penelitian air yang mereka gagas.

“Sungguh luar biasa melihat hasil hebat lainnya dari Water Call kami — sebuah inisiatif yang mengundang ilmuwan untuk mengajukan studi inovatif tentang air. Kami menantikan banyak penemuan menarik lainnya di masa mendatang,” kata Pascarelli.

Dengan ditemukannya ice XXI, para ilmuwan kini membuka bab baru dalam pemahaman tentang perilaku air di bawah tekanan ekstrem sebuah temuan yang mungkin kelak membantu menjelaskan kondisi di dalam dunia-dunia es jauh di luar Bumi.

Sumber: phys.org