Dalam dunia fisika dan kimia materi—terutama yang berkaitan dengan air—penemuan baru selalu menarik karena air, meskipun molekulnya sangat sederhana (H₂O), memiliki perilaku yang luar biasa kaya ketika berada dalam kondisi ekstrem. Salah satu hasil terbaru yang memukau adalah identifikasi Ice XXI, sebuah fase es metastabil yang terbentuk pada suhu kamar apabila air dikompres secara cepat ke tekanan yang sangat tinggi. Fase ini bukan sekadar variasi kecil dari es yang sudah dikenal, melainkan mempertontonkan struktur kristal, dinamika pembentukan, dan kemungkinan aplikasi yang membesarkan harapan baru dalam sains planet dan material.
Latar Belakang: Fase-Fase Es yang Sudah Dikenal
Sebelum Ice XXI, para ilmuwan sudah mengenal lebih dari dua puluh bentuk es solid (fase) yang berbeda. Fase-fase ini dinamai dengan angka Romawi (I, II, III, dan seterusnya), dan perbedaan utama di antaranya terletak pada bagaimana molekul-molekul air tersusun dan terikat satu sama lain, serta kondisi tekanan dan temperatur di mana fase itu stabil atau bisa terbentuk. Beberapa fase es muncul hanya di suhu sangat rendah dan/atau tekanan tinggi — misalnya di inti planet es atau bulan-bulan es di tata surya — sementara es “biasa” yang kita kenal di Bumi sehari-hari (es pada freezer, es di salju) adalah bentuk yang relatif sederhana.
Proses Penemuan Ice XXI
Penemuan Ice XXI dilakukan oleh tim internasional yang dipimpin oleh Korea Research Institute of Standards and Science (KRISS), menggunakan peralatan canggih seperti European XFEL (X-ray Free Electron Laser) dan sinkrotron PETRA III di Jerman. Eksperimen dirancang untuk mensimulasikan kondisi di mana air dikompresi secara cepat ke tekanan hampir dua gigapascal, yaitu sekitar 20.000 kali tekanan atmosfer biasa, sementara suhunya tetap di sekitar suhu kamar—tidak dibekukan secara konvensional oleh pendinginan.
Teknis Kompresi
-
Air diletakkan di antara dua ujung berlian dalam alat yang disebut diamond anvil cell, yang mampu menghasilkan tekanan sangat besar pada benda yang ditempatkan di antaranya.
-
Kompresi dilakukan sangat cepat, dalam urutan waktu milidetik (sekitar 10 ms), untuk mencapai tekanan target 2 GPa.
-
Proses kompresi kemudian dilepaskan dalam waktu sekitar satu detik, dan siklus ini diulang secara berulang untuk mengamati bagaimana struktur kristal berubah seiring tekanan naik dan turun.
Observasi dengan Sinar-X
-
Karena prosesnya cepat dan agar struktur kristal dapat diamati secara real time, para peneliti menggunakan sinar-X dari European XFEL yang sangat kuat, menghasilkan pulsa sinar-X setiap mikrodetik untuk “mengambil gambar” sementara air berpindah fase.
-
Dengan teknik ini mereka bisa “merekam video” dari pembentukan es, yaitu bagaimana molekul-molekul air mulai mengatur diri menjadi sebuah struktur kristal dalam kondisi kompresi dan pelepasan tekanan.
Struktur dan Sifat Ice XXI
Ice XXI memiliki beberapa karakteristik unik:
-
Struktur kristal: Berbeda dari fase-es sebelumnya. Struktur ini disebut tetragonal, yang berarti kisi kristalnya tidak simetris dalam semua arah, melainkan ada satu sumbu utama yang berbeda. Unit selnya cukup besar, yang menunjukkan bahwa pola molekulnya berulang dalam kelompok atau lapisan yang lebih kompleks daripada es biasa.
-
Metastabilitas: Ice XXI bukan fase yang paling stabil dalam kondisi tekanan dan temperatur tertentu. Artinya, meskipun terbentuk, ia bisa berubah ke fase lain yang lebih stabil jika kondisi berubah (misalnya tekanan dikurangi atau suhu dinaikkan). Namun, ia dapat bertahan untuk jangka waktu tertentu dalam kondisi tertentu.
Mengapa Penemuan Ini Penting
Penemuan Ice XXI memiliki implikasi ilmiah dan praktis yang cukup luas:
-
Física zat padat dan transisi fase
Penemuan ini memperluas pemahaman tentang bagaimana air dapat berubah fase di bawah tekanan tinggi tanpa pendinginan ekstrem. Hal ini membuka pertanyaan tentang apakah masih ada fase-fase es lain yang belum ditemukan, terutama di suhu dan tekanan yang sebelumnya dianggap tidak memungkinkan. -
Ilmu planet dan astro-fisika
Banyak bulan dan planet es dalam tata surya (misalnya Titan, Ganymede, Europa, atau Neptunus dan Uranus) memiliki tekanan tinggi di inti atau di lapisan dalamnya, dan suhunya tidak selalu sangat rendah. Fase es baru seperti Ice XXI bisa serupa dengan kondisi di dalam tubuh-tubuh es ini, yang mempengaruhi model internalnya — termasuk bagaimana panas dan material bergerak, dan bagaimana medan magnet (jika ada) dapat dipengaruhi. -
Material science dan aplikasi ekstrem
Studi tentang es metastabil yang dapat bertahan dalam kondisi stres eksternal bisa memberikan wawasan untuk material lain yang perlu menahan tekanan tinggi atau berubah struktur dalam kondisi ekstrem — misalnya dalam industri eksplorasi dalam bumi, atau pengembangan bahan kuantum / supermaterial. -
Mekanisme kristalisasi yang kompleks
Dengan merekam transisi fase secara cepat dan mengamati lintasan (pathway) kristalisasi dan peleburan (freezing‐melting pathways), ilmuwan bisa memahami jalur antara cair ke padat yang lebih rinci. Ini penting terutama untuk memahami kinetika, hambatan energetik, dan kondisi awal kapan molekul air mulai mengatur diri menjadi kristal.
Tantangan dan Pertanyaan yang Masih Terbuka
Meski penemuan ini sangat menjanjikan, banyak aspek yang masih belum dipahami, dan beberapa tantangan dapat menjadi fokus riset selanjutnya:
-
Stabilitas jangka panjang: Berapa lama Ice XXI bisa bertahan apabila tekanan tetap, atau apabila sedikit berubah? Apakah ada batas toleransi terhadap fluktuasi suhu atau kekotoran dalam air?
-
Suhu maksimum di mana fase ini dapat terbentuk: Penemuan ini menunjukkan bahwa Ice XXI dapat dibuat di suhu kamar, tetapi apakah bisa terbentuk juga pada suhu yang lebih tinggi jika tekanan cukup besar?
-
Transisi ke fase lain: Di titik mana Ice XXI berubah menjadi fase es yang dikenal seperti es VI (Ice VI) atau ke fase padat lain? Apakah ada hambatan kinetik besar yang mencegahnya segera berubah meskipun kondisi tidak lagi mendukung?
-
Pengaruh ke kondisi alami: Apakah kondisi seperti ini pernah terjadi di alam — misalnya di planet-es, bulan, atau bagian dalam Bumi? Dan jika YA, apakah Ice XXI benar-benar hadir di sana, atau hanya dalam eksperimen buatan manusia?
Dampak Potensial di Masa Depan
Penemuan fase baru es seperti Ice XXI membuka kemungkinan bahwa banyak lagi rahasia dalam sifat air dan es yang belum terungkap. Beberapa dampak potensial:
-
Penggunaan sebagai model ilmiah untuk simulasi kondisi dalam planet/mars/komet di mana suhu dan tekanan tinggi mungkin mengizinkan fase es yang tidak biasa.
-
Inspirasi untuk teknologi material ekstrem, yang membutuhkan kestabilan di bawah tekanan tinggi—misalnya dalam penyimpanan energi, sistem pendingin, atau bahkan dalam teknologi ruang angkasa.
-
Kontribusi pada pemahaman iklim dan siklus air di Bumi dan di planet lain, terutama ketika membaca data geofisika dari misi luar angkasa yang menangkap sinyal dari lapisan es dalam atau interior es bulan/planet.
Kesimpulan
Penemuan Ice XXI adalah salah satu contoh bagaimana ilmu eksperimental mendorong batas-batas pengetahuan kita tentang hal yang dianggap sederhana — air — menjadi sangat kompleks. Dengan metode kompresi yang cepat dan observasi sinar-X yang presisi, ilmuwan berhasil menemukan bahwa air bisa membentuk struktur kristal yang tetap padat di suhu kamar, asalkan berada di bawah tekanan ekstrem. Walau belum stabil secara permanen, Ice XXI membuka pintu untuk penemuan fase-fase es lainnya, memperdalam pemahaman tentang fisika zat padat, dan mungkin membantu menjawab pertanyaan terkait interior planet es dan fenomena alam lainnya.
