Para ilmuwan di AS telah menemukan bukti bahwa permukaan air cair, bahkan pada suhu kamar, memiliki struktur yang semakin mirip es ketika mendekati antarmuka air-udara. Phillip Geissler dan Nathan Odendahl dari Universitas California, Berkeley, melakukan simulasi komputer dari antarmuka yang tidak merata antara udara dan air dan mengidentifikasi motif-motif yang teratur, yang menurut mereka memiliki kesamaan yang signifikan dengan es.
Dari atmosfer hingga paru-paru manusia, banyak proses terpenting di planet ini terjadi di permukaan tetesan air, sehingga penelitian ini mempunyai implikasi potensial di bidang fisika, kimia, dan biologi.
“Hal-hal yang telah kami upayakan selama beberapa dekade untuk memahami tentang air di sebagian besar lingkungannya menjadi salah pada antarmukanya,” kata Geissler, yang menggunakan simulasi untuk mempelajari air pada tingkat molekuler yang tidak dapat diakses dalam eksperimen. Pengukuran spektroskopi antarmuka udara-air telah memberikan hasil yang mengejutkan, menunjukkan adanya ikatan hidrogen yang teratur di permukaan. Geissler dan Odendahl penasaran dengan simulasi sebelumnya, yang menyarankan es sebagai titik referensi untuk struktur air antarmuka, namun mereka tidak menganggap hasil ini meyakinkan. Hasilnya, mereka menemukan cara untuk mencari pola-pola ini secara lebih rinci.
Mencari struktur yang tidak teratur
Air cair tidak teratur, sehingga para peneliti tahu bahwa struktur yang mereka cari akan sulit ditemukan, hanya mencakup beberapa molekul dan terkubur di bawah kebisingan. Mereka berpendapat bahwa peneliti sebelumnya melewatkan detail karena mereka memperlakukan antarmuka sebagai bidang datar, padahal sebenarnya lembut dan bergelombang. Pengerjaan antarmuka lunak udara-air dirintis lebih dari 10 tahun yang lalu dan mengungkap lapisan-lapisan yang sejajar dengan permukaan, namun Geissler dan Odendahl adalah orang pertama yang menggunakan hal ini untuk mencari hubungan dengan es.
Geissler mengatakan dia terkejut ketika Odendahl menunjukkan kepadanya hasil pertama yang melapisi antarmuka es dan air-udara. Mereka berpendapat bahwa, dengan detail ekstra dari antarmuka sesaat, lapisan di permukaan air dapat dipecah menjadi beberapa sublapisan (lihat gambar di atas). Sublapisan paralel adalah ciri permukaan dasar es, dan keduanya menunjukkan kemiripan yang mencolok antara lapisan-lapisan ini pada antarmuka es dan air-udara.
Dengan menggunakan sublapisan ini sebagai titik referensi, Geissler dan Odendahl membandingkan orientasi molekul, mengetahui bahwa orientasi ini terdefinisi dengan baik untuk molekul air tetrahedral dalam es. Ketika para peneliti memetakan arah yang diinginkan dari ikatan oksigen-hidrogen di dekat permukaan air, mereka mengamati keteraturan, yang sekali lagi mereka bantah, tampaknya berhubungan dengan permukaan es. Pola-pola ini berlaku pada beberapa diameter molekul, yang lebih besar dari struktur tetrahedral sementara yang diharapkan dalam air curah.
Simetri yang rusak memaksa air untuk berorganisasi
Memperdebatkan kesimpulan mereka, Odendahl mengatakan “Memiliki antarmuka yang fleksibel benar-benar memberi kami kepercayaan diri untuk mengatakan, ini bukan hanya beberapa metrik peluang. Jika Anda melihat kepadatannya, jika Anda melihat orientasinya, jika Anda melihat beberapa lapisan, semua yang kami lihat, sepertinya ada kecocokan.”
Air terbukti mati secara elektrik pada antarmuka
Namun, penafsiran penelitian tentang mekanika statistik zat cair selalu menimbulkan perdebatan. Perdebatan yang terus berlanjut mengenai antarmuka air-udara akan berujung pada pertanyaan mendasar tentang bagaimana es didefinisikan, dan apakah struktur yang hanya mencakup beberapa molekul dapat dikatakan memiliki sifat seperti kristal. Merefleksikan hasil mereka, Geissler mengatakan, “Kami sekarang memiliki titik referensi struktural untuk memikirkan motif struktural ini, dan saya pikir hal itu pada akhirnya akan terbukti menjadi alat konseptual yang sangat berguna.”
Penelitian tersebut dijelaskan dalam Journal of American Chemical Society.
