Lima Hal yang Masih Belum Kita Ketahui Tentang Air

“Air adalah unsur yang paling dekat dengan kehidupan manusia. Dan karena begitu umumnya ternyata masih ada hal-hal yang tidak kita ketahui. Sampai saat ini-pun air masih memiliki misteri yang masih belum terpecahkan”

– catatan editor –

Artikel asli dalam Bahasa Inggris oleh: Richard Saykally

Ditranslasikan ke dalam Bahasa Indonesia oleh: Nicky Perdana

Dicek dan ditinjau ulang oleh : Reopan editor

Apa yang mungkin tidak kita ketahui tentang Air ? Air itu basah! Jernih. Datang dari hujan. Dapat mendidih. Mampu membuat salju dan es! Apakah pemerintah sudah menggunakan dana hasil pemungutan pajak agar anda mempelajari rahasia air?

Kutipan diatas merupakan salah satu percakapanku dengan almarhum ibuku, yang meninggal sekitar tujuh tahun yang lalu, dimana saat itu beliau masih berperilaku hemat di usianya yang 99 tahun. Ucapannya mencerminkan pandangan sekitar setengah dari populasi dunia, yaitu: Air itu membosankan.

Sisanya, setengah dari dunia diinspirasi dari pseudosains dan guru era baru, mempercayai kandungan sihir seperti homeophaty, air yang terstruktur, polywater, dan memori air.

Kebenaran terletak di tengah-tengah. Ya, air merupakan sesuatu yang umum, bahkan air merupakan molekul paling umum ketiga di dunia. Tetapi, bertolak belakang dari pandangan ibuku, air itu kompleks, dapat menipu seolah-olah ia hanyalah sesuatu yang sederhana. Berikut adalah beberapa permasalahan keilmuwan mengenai air yang masih terus dibicarakan hingga saat ini.

1. Ada berapa banyak jenis es di luar sana?

Hingga saat ini, ada 17 jenis bentuk kristal berbeda dari air yang solid. Akan tetapi, hanya satu jenis es I_h yang ada secara umum di Bumi di luar ruang laboratorium. Bentuk kristal yang kedua disebut es I_c ada dalam jumlah yang sedikit di kulit luar atmosfer, dan 15 sisanya terbentuk hanya pada kondisi tekanan yang sangat tinggi. (Air juga banyak terdapat di luar angkasa, tapi biasanya berbentuk amorf, non kristal, es kaca beku berbentuk butir debu).

Banyaknya variasi bentuk kristal es merupakan hasil dari ikatan jaringan tetrahedral hidrogen yang kuat yang terbentuk di antara molekul air di sekitarnya. Dalam tahapan air yang terkondensasi ini, tiap molekul mengoptimalisasi kapasitas ikatan hidrogennya dengan membentuk empat ikatan hidrogen yang sudutnya hampir tetrahedral. Ikatan hidrogen di dalam es I_h membentuk struktur tiga dimensi yang terbuka dengan densitas rendah.

Usaha melakukan penekanan terhadap substansi tetrahedral, termasuk kristal es, elemen karbon, silicon, dan fosfor, dapat merubah bentuk padat densitas rendah menjadi struktur yang bervariasi dengan densitas lebih tinggi, hingga batas maksimum tercapai. Hal ini menghasilkan 17 bentuk kristal es yang telah diamati hingga saat ini. Apakah ada bentuk lain yang bisa ditemukan?

2. Apakah ada dua jenis air yang liquid?

Beberapa dekade yang lalu, ilmuwan Jepang mengklaim bahwa mereka telah mengamati transisi antara dua tahapan es tanpa bentuk dalam kondisi tekanan tinggi. Karena kita mempercayai bahwa es tanpa bentuk adalah potret beku dari cairan yang bersangkutan, pengamatan ini mengimplikasikan bahwa ada dua tipe air liquid, yaitu: pertama dengan kategori normal, dimana air bermassa jenis rendah, dan kedua dengan kategori bentuk padat dengan densitas tinggi dan beranologi sama dengan es tanpa bentuk bertekanan tinggi.

Simulasi berikut mendukung klaim tersebut. Mereka menyelidiki air yang temperaturnya di bawah titik beku, tapi di atas temperatur “homogenous nucleation temperature” (temperatur di mana air liquid tidak dapat terwujud). Dalam kondisi “super dingin” ini, ilmuwan melihat bukti adanya fase transisi antara dua bentuk liquid air.

Akan tetapi, ilmuwan lainnya berpendapat bahwa hasil ini hanyalah sebuah artefak, dan transisi tersebut tidak dapat terjadi, berdasarkan prinsip mekanika statistika. Fakta bahwa kondisi ini terjadi sangat jauh dari keseimbangan membuatnya sulit untuk diamati dan dimodelkan (faktanya, kondisi yang jauh dari keseimbangan  merupakan batasan saat ini dari teori unsur terkondensasi).

3. Bagaimana cara air menguap?

Tingkat penguapan air liquid adalah salah satu ketidakpastian dalam prinsip untuk membuat model iklim modern. Tingkat penguapan menentukan besarnya distribusi tetesan air di awan, yang nantinya menentukan bagaimana awan memantulkan, menyerap, dan menyebarkan cahaya.

Tapi, bagaiamana pastinya mekanisme menguapnya air belum dapat benar-benar dipahami. Secara tradisional, tingkat penguapan diwakilkan dengan tingkat tubrukan antar molekul, dikalikan dengan faktor pengandaian yang disebut koefisien penguapan, yang bervariasi antara 0 dan 1. Percobaan terhadap penetapan koefisien ini, berjalan selama beberapa dekade, dan menghasilkan 3 ukuran yang bervariasi. Perhitungan secara teoritis terhambat karena penguapan merupakan kondisi yang jarang terjadi, membutuhkan simulasi komputer yang panjang dan luas.

Bersama dengan koleganya, David Chandler, dari University of California, Berkeley, mereka menggunakan teori yang mampu menjelaskan peristiwa langka tersebut, yang disebut “transition path sampling”, untuk menghitung koefisien penguapan air. Mereka mendapatkan nilai mendekati 1. Teori ini relatif berkoresponden secara baik dengan percobaan microjet yang menghasilkan nilai 0.6 untuk air normal dan air yang berat.

Akan tetapi, ada beberapa pertanyaan. Belum jelas mengapa percobaan yang dilakukan pada kondisi atmosfer yang relevan justru menghasilkan nilai yang lebih kecil. Simulasi transition path sampling juga memaparkan bahwa proses penguapan tergantung pada gelombang anomali kapiler besar yang bergerak di permukaan cairan, yang merusak dan melemahkan ikatan hidrogen yang terikat pada molekul air yang menguap. Penambahan garam ke air meningkatkan tekanan terhadap permukaan dan menahan amplitudo gelombang kapiler, sehingga mengurangi tingkat penguapan. Tapi penelitian menunjukkan garam hanya sedikit atau tidak memberi efek apa-apa.

4. Apakah permukaan air liquid kondisinya asam atau basa?

Ada sesuatu yang menakjubkan dari air terjun Niagara: tiap tetes bergerak seakan-akan bermuatan negatif. Kondisi yang sama juga terjadi di air terjun lainnya. Hal ini telah lama diinterpretasikan sebagai bukti adanya akumulasi ion hidroksida negatif (OH-) pada permukaan tetes air, yang berarti permukaan air ada dalam kondisi basa-pH lebih besar dari 7. Bahkan, pemikiran ini telah menjadi dogma dalam komunitas ilmuwan koloid.

“Ada sesuatu yang menakjubkan dari embun di sekitar air terjun Niagara: Tiap tetes bergerak mengelilingi air terjun tersebut seakan-akan tiap tetes bermuatan negatif.”

Permukaan air likuid mengandung ikatan hidrogen yang rusak dalam jumlah besar, yang menghasilkan lingkungan kimiawi berbeda dari yang ditemukan di kumpulan air. Tapi percobaan dan perhitungan baru-baru ini memaparkan bahwa proton terhidrasi (H+) mendominasi permukaan air likuid, menghasilkan kondisi pH asam (kurang dari 7) dan bermuatan positif, berbeda dengan sebelumnya yang bersifat basa dan bermuatan negatif.

Banyak proses penting di kimia dan biologi, seperti atmospheric aerosol-pertukaran gas, katalisis enzim, dan perpindahan proton transmembran, dimana melibatkan pertukaran proton pada permukaan air, dan secara eksplisit bergantung pada pH permukaan air (jumlah yang belum diketahui hingga saat ini).

5. Apakah air yang sangat kecil-terbatas (nanoconfined) berbeda?

Air tidak selalu berada di lautan lepas. Di alam dan di alat buatan manusia, air seringkali terkurung dalam ruangan yang sangat kecil, seperti reverse micelles, carbon nanotubes, membran pemindah proton, dan xerogels (solid seperti kaca yang memiliki banyak pori).

Percobaan dan perhitungan seakan-akan mengindikasikan bahwa air yang ditutupi dinding padat dan beruang kecil, yang besarnya sebanding dengan beberapa ratus molekul, mulai menunjukkan efek mekanika kuantum, termasuk delokalisasi dan koherensi kuantum. Kondisi ini berbeda dari kumpulan air, dan dapat mempengaruhi semua hal dari sel biologis hingga struktur geologi. Hal ini juga dapat berpengaruh secara signifikan pada sesuatu hal yang praktis, contohnya dalam merancang sistem desalinisasi yang lebih efisien.

Akan tetapi, hasil yang ditemukan saat ini masih ambigu, dan penelitian pada bidang ini masih terus dilakukan untuk menentukan sifat air dalam kungkungan.

NB: Richard Saykally adalah seorang profesor kimia dari Universitas California, Berkeley. Beliau telah mempublikasikan lebih dari 400 karya tulis yang telah dikutip lebih dari 30.000 kali.