Salah satu perkara yang paling asas yang kita diajar dalam kelas sains sekolah ialah air boleh wujud di tiga negeri yang berlainan, sama ada sebagai ais pepejal, air cair, atau gas wap. Tetapi pasukan saintis antarabangsa baru-baru ini mendapati tanda-tanda bahawa air cair mungkin sebenarnya datang dalam dua negeri yang berbeza.
Menulis dalam kertas eksperimen, diterbitkan dalam Jurnal Antarabangsa Nanoteknologi, para penyelidik terkejut mendapati beberapa sifat fizikal air mengubah tingkah laku mereka antara 50 ℃ dan 60 ℃. Tanda perubahan berpotensi ke keadaan cair kedua dapat mencetuskan perbincangan yang hangat dalam masyarakat saintifik. Dan, jika disahkan, ia mungkin mempunyai implikasi untuk pelbagai bidang, termasuk nanoteknologi dan biologi.
Negara perkara, juga disebut "fasa", merupakan konsep utama dalam kajian sistem yang dibuat dari atom dan molekul. Secara kasar, sistem yang terbentuk daripada banyak molekul boleh disusun dalam beberapa konfigurasi bergantung pada tenaga keseluruhannya. Pada suhu yang lebih tinggi (dan dengan itu tenaga yang lebih tinggi), molekul mempunyai konfigurasi yang lebih mungkin dan lebih teratur dan boleh bergerak secara relatif bebas (fasa gas). Pada suhu yang lebih rendah, molekul-molekul mempunyai bilangan konfigurasi yang lebih terhad dan seterusnya membentuk fasa yang lebih diperintahkan (cecair). Jika suhu turun lebih jauh, mereka mengatur diri mereka dalam konfigurasi yang sangat spesifik, menghasilkan pepejal.
Gambar ini biasa digunakan untuk molekul yang agak sederhana seperti karbon dioksida atau metana, yang mempunyai tiga keadaan yang jelas, berbeza (cair, pepejal dan gas). Tetapi bagi molekul yang lebih kompleks, terdapat bilangan konfigurasi yang lebih besar dan ini menimbulkan lebih banyak fasa. Ilustrasi yang indah ini adalah kelakuan kristal cair yang kaya, yang dibentuk oleh molekul organik yang rumit dan dapat mengalir seperti cecair, tetapi masih mempunyai struktur kristal padat seperti
Kerana fasa bahan ditentukan oleh bagaimana molekulnya dikonfigurasikan, banyak sifat fizikal bahan itu akan berubah secara tiba-tiba kerana ia pergi dari satu keadaan ke keadaan yang lain. Dalam kertas kerja baru-baru ini, para penyelidik mengukur beberapa sifat fizikal air pada suhu antara 0 ℃ dan 100 ℃ di bawah keadaan atmosfera biasa (yang bermaksud air adalah cecair). Yang menghairankan, mereka mendapati kink dalam sifat-sifat seperti ketegangan permukaan air dan indeks biasnya (ukuran bagaimana cahaya bergerak melaluinya) pada sekitar 50 ℃.
Bagaimana ini boleh terjadi? Struktur molekul air, H2O, sangat menarik dan boleh digambarkan seperti semacam tanda panah, dengan dua atom hidrogen mengapit atom oksigen di bahagian atas. Elektron dalam molekul cenderung diagihkan dengan cara yang agak tidak simetris, menjadikan sisi oksigen negatif dikenakan terhadap bahagian hidrogen. Ciri struktur mudah ini membawa kepada jenis interaksi antara molekul air yang dikenali sebagai ikatan hidrogen, di mana caj sebaliknya menarik satu sama lain.
Ini memberikan sifat-sifat air yang, dalam banyak kes, memecahkan trend yang diperhatikan untuk cecair mudah lain. Contohnya, tidak seperti kebanyakan bahan lain, jisim air tetap mengambil lebih banyak ruang sebagai padu (ais) daripada sebagai (cecair) kerana cara molekulnya membentuk struktur tetap tertentu. Satu lagi contoh ialah ketegangan permukaan air cecair, yang kira-kira dua kali ganda daripada bukan polar, lebih mudah, cecair.
Air cukup sederhana, tetapi tidak terlalu mudah. Ini bermakna bahawa satu kemungkinan untuk menerangkan fasa tambahan air yang jelas adalah ia berkelakuan seperti kristal cair. Ikatan hidrogen di antara molekul menyimpan beberapa pesanan pada suhu rendah, tetapi akhirnya boleh mengambil fasa cecair yang kurang diperintahkan kedua pada suhu yang lebih tinggi. Ini dapat menjelaskan kinks yang diperhatikan oleh penyelidik dalam data mereka.
Sekiranya disahkan, penemuan penulis boleh mempunyai banyak aplikasi. Sebagai contoh, jika perubahan dalam persekitaran (seperti suhu) menyebabkan perubahan dalam sifat fizikal bahan, maka ini berpotensi digunakan untuk mengesan aplikasi. Mungkin lebih asasnya, sistem biologi kebanyakannya diperbuat daripada air. Bagaimana molekul biologi (seperti protein) berinteraksi antara satu sama lain mungkin bergantung kepada cara tertentu di mana molekul air mengatur untuk membentuk fasa cair. Memahami bagaimana molekul air menyusun diri mereka secara purata pada suhu yang berbeza dapat memberi penjelasan mengenai cara mereka berinteraksi dalam sistem biologi.
Penemuan ini merupakan peluang yang menarik untuk ahli teori dan eksperimentis, dan contoh yang indah tentang bagaimana pun bahan yang paling biasa masih ada rahsia bersembunyi di dalamnya.
Artikel ini pada asalnya diterbitkan di The Conversation. Baca artikel asal.
