Sebuah perilaku baru yang aneh dari molekul air telah diamati dalam kristal beryl, jenis zamrud, disebabkan oleh efek mekanika kuantum aneh yang memungkinkan molekul-molekul air menghadap enam arah yang berbeda pada saat yang sama.

Dalam kondisi normal, dua atom hidrogen dalam tiap molekul air yang tersusun di sekitar atom oksigen dalam bentuk “V” terbuka, kadang-kadang  menyerupai bumerang atau telinga Mickey Mouse.

Namun dalam percobaan baru, para ilmuwan telah menemukan bahwa atom-atom hidrogen dari beberapa molekul air terperangkap dalam struktur kristal mineral beryl menjadi cincin bersisi enam.

Bentuk cincin ini disebabkan oleh “penerobosan kuantum” dari molekul, sebuah fenomena yang memungkinkan partikel subatomik lolos atau “menembus” melalui hambatan fisik yang tampaknya mustahil.

“Dalam skenario ini, atom-atom dari molekul air “terdelokalisasi” di antara enam arah yang mungkin dalam pori-pori heksagonal alami atau saluran yang melintasi struktur kristal beryl, sehingga beberapa ada di dalam enam posisi pada saat yang sama,” kata para peneliti .

Bagian dalam kristal

Para ilmuwan dari Oak Ridge National Laboratory (ORNL) di Tennessee dan Rutherford Appleton Laboratory di Inggris mengamati efek temuan baru tersebut dalam kristal aquamarine biru yang dibeli di pameran permata. Aquamarine biru; zamrud hijau dan merah; morganite merah muda; Heliodor emas; dan batu permata goshenite bening semua adalah varietas dari mineral beryl (berilium aluminium cyclosilicate) dengan jejak bahan kimia lain yang membuat kristal memiliki warna-warna karakteristiknya.

“Kami memilih beryl karena memiliki struktur kristal yang memiliki saluran di dalamnya, sekitar 5 angstrom [5 persepuluh juta milimeter] jaraknya, sedikit lebih besar dari molekul air, dan itu diketahui dari data spektroskopi dimana beryls alam memiliki air di dalamnya,” kata Larry Anovitz, seorang ahli geokimia di ORNL dan salah satu penulis dari makalah tentang penelitian baru.

Dari banyak penelitian lain kita semua tahu bahwa ketika Anda menempatkan air di dalam pori-pori yang lebih kecil dan lebih kecil ia mulai mempengaruhi sifat-sifat air, penurunan titik beku, perubahan kepadatan, segala macam hal. Dan ketika Anda membuat pori itu sangat kecil dimana Anda hanya bisa mendapatkan satu molekul air ke dalamnya, apa yang akan dilakukan pada sifat-sifat air tersebut?

“Apa yang terjadi berikutnya adalah tak terduga,” kata Anovitz kepada Live Science.

“Kami tahu bahwa beryl alami memiliki air di dalam saluran-saluran ini dalam strukturnya, sehingga bisa melihat itu dan melihat apa sifat-sifatnya. Tapi kami tidak tahu bahwa sifat-sifat tersebut akan berubah menjadi sangat aneh ketika melihatnya,” katanya.

Melihat keadaan baru

Di fasilitas Spallation Neutron Source  ORNL, setelah pendinginan kristal beryl pada suhu yang sangat rendah, para ilmuwan mengukur keadaan energi paling rendah dari atom dalam molekul air yang terperangkap dengan percobaan penyebaran neutron, yang menggunakan sinar partikel neutron subatomik untuk memetakan gerakan atom dan molekul.

“Ketika kami mulai melihat puncak dalam spektrum neutron inelastis untuk sampel ini, kami melihat sejumlah puncak dalam spektrum tersebut, bukannya bertambah besar terhadap suhu, dimana itu adalah apa yang diharapkan terjadi, mereka menjadi lebih kecil terhadap suhu,” Anovitz kata.

“Ada dua cara ini bisa terjadi, baik oleh penerobosan kuantum atau transisi magnetik, dan kami mampu membuktikan bahwa ini sebenarnya adalah penerobosan kuantum dari molekul-molekul air,” katanya.

Interaksi antara molekul air dan dinding saluran heksagonal biasanya memaksa air masuk ke pusat saluran, dengan kedua hidrogen “telinga tikus” menghadapi sama salah satu dari enam sisi tersebut.

Dalam keadaan energi terendah, molekul air tidak memiliki energi yang cukup untuk memutar ke salah satu posisi yang berdekatan.

“Namun di daerah di mana saluran-saluran sempit sehingga hanya molekul air tunggal dapat cocok, atom-atom tersebut dalam molekul air dapat “menerobos” melalui hambatan energi yang mencegah rotasi. Dan percobaan baru ini mengungkapkan bahwa molekul-molekul yang membangun bentuk “double-top”, dengan inti proton dari setiap pemindahan tempat atom hidrogen ke dalam cincin enam sisi sekitar atom oksigen pusat,” kata para peneliti.

Mengukur molekul

Alexander Kolesnikov, seorang fisikawan di ORNL dan penulis utama penelitian baru ini, mengatakan studi tambahan di Rutherford Appleton Laboratory telah menentukan bahwa energi kinetik proton hidrogen dalam molekul air enam sisi adalah sekitar 30 persen lebih rendah daripada di dalam molekul air dalam keadaan normal, atau “air curah” (air pada umumnya).

“Itu adalah indikasi langsung bahwa ini adalah sifat kuantum akibat penerobosan air di saluran beryl ini. Dalam istilah klasik, energi kinetik diharapkan menjadi sesuatu yang sebanding dengan semua air curah lainnya,” kata Kolesnikov pada Live Science.

Ini bukan sebuah fase baru dari air (seperti es atau uap), tidak sepenuhnya dalam fase gas, tapi dekat dengan fase gas. Tapi pada suhu rendah, karena pemindahan tempat kuantum, energi kinetik proton-proton tersebut secara signifikan berkurang, dan mereka menyebar di bawah penghalang (energy) tersebuti. Jadi, ini adalah jenis keadaaan baru dari molekul air.

Menurut Anovitz, penerobosan kuantum dikenal terjadi di zat lain tetapi efeknya biasanya terbatas pada partikel subatomik daripada partikel yang lebih besar seperti molekul air. Penerobosan kuantum juga dikenal untuk mengambil tempat di antara atom hidrogen dalam molekul kelompok metil, yang disusun dalam bentuk piramida segitiga di sekitar atom karbon, tetapi molekul tampak memiliki bentuk yang sama setelah transisi penerobosan. (ran)

Share

Video Popular