Struktur Kristal Es ke 19 di Temukan

Tiga tahun lalu, ahli kimia menemukan bukti keberadaan varietas es baru. Hingga saat itu, 18 jenis kristal es telah dikenal. Tim dari University of Innsbruck sekarang melaporkan penjelasan struktur kristal es XIX menggunakan difraksi neutron.

Es adalah bahan yang sangat serbaguna. Dalam kepingan salju atau es batu, atom oksigen tersusun secara heksagonal. Bentuk es ini disebut es satu (es I). “Sebenarnya, bagaimanapun, ini sebenarnya bukan kristal yang sempurna, tetapi sistem yang tidak teratur di mana molekul air secara acak diorientasikan ke arah spasial yang berbeda,” jelas Thomas Loerting dari Institut Kimia Fisik di Universitas Innsbruck, Austria. Termasuk es I, sejauh ini telah diketahui 18 bentuk kristal es, yang berbeda dalam susunan atomnya. Berbagai jenis es, yang dikenal sebagai polimorf, terbentuk tergantung pada tekanan dan suhu serta memiliki sifat yang sangat berbeda. Misalnya, titik lelehnya berbeda beberapa ratus derajat Celcius. “Ini sebanding dengan berlian dan grafit, keduanya terbuat dari karbon murni,” kata ahli kimia.

Ketika es konvensional I didinginkan dengan kuat, atom hidrogen dapat mengatur dirinya sendiri secara berkala di samping atom oksigen jika percobaan dilakukan dengan benar. Di bawah minus 200 derajat Celcius, hal ini dapat mengarah pada pembentukan apa yang disebut es XI, di mana semua molekul air tersusun menurut pola tertentu. Bentuk es yang teratur berbeda dari bentuk induk yang tidak teratur, terutama dalam sifat listriknya. Dalam penelitian ini, ahli kimia Innsbruck berurusan dengan bentuk induk es VI, yang terbentuk pada tekanan tinggi, misalnya di mantel bumi. Seperti es heksagonal, bentuk es bertekanan tinggi ini bukanlah kristal yang tertata seluruhnya. Lebih dari 10 tahun yang lalu, para peneliti di Universitas Innsbruck menghasilkan varian es yang dipesan dengan hidrogen, yang menemukan jalannya ke dalam buku teks sebagai es XV. Dengan mengubah proses pembuatannya, tiga tahun lalu tim Thomas Loerting berhasil untuk pertama kalinya membuat formulir pesanan kedua untuk es VI. Untuk melakukan ini, para ilmuwan secara signifikan memperlambat proses pendinginan dan meningkatkan tekanan hingga sekitar 20 kbar. Hal ini memungkinkan mereka untuk menyusun atom hidrogen dengan cara kedua dalam kisi oksigen dan menghasilkan es XIX. “Kami menemukan bukti yang jelas pada saat itu bahwa itu adalah varian pesanan baru, tetapi kami tidak dapat menjelaskan struktur kristalnya.” Sekarang timnya telah berhasil melakukan hal itu dengan menggunakan standar emas untuk penentuan struktur – difraksi neutron.

Struktur kristal terpecahkan

Untuk klarifikasi struktur kristal, rintangan teknis yang penting harus diatasi. Dalam penelitian yang menggunakan difraksi neutron, hidrogen ringan dalam air perlu diganti dengan deuterium (“hidrogen berat”). “Sayangnya, ini juga mengubah skala waktu pemesanan dalam proses pembuatan es,” kata Loerting. “Tetapi mahasiswa Ph.D. Tobias Gasser kemudian memiliki ide penting untuk menambahkan beberapa persen air normal ke dalam air yang berat – yang ternyata sangat mempercepat pemesanan.” Dengan es yang diperoleh dengan cara ini, para ilmuwan Innsbruck akhirnya dapat mengukur data neutron pada instrumen HRPD resolusi tinggi di Laboratorium Appleton Rutherford di Inggris dan dengan susah payah memecahkan struktur kristal es XIX. Ini membutuhkan menemukan struktur kristal terbaik dari beberapa ribu kandidat dari data yang diukur – seperti mencari jarum di tumpukan jerami. Sebuah kelompok peneliti Jepang mengkonfirmasi hasil Innsbruck dalam eksperimen lain di bawah kondisi tekanan yang berbeda. Kedua makalah tersebut kini telah diterbitkan bersama di Nature Communications.

Enam bentuk es ditemukan di Innsbruck

Meskipun es dan salju konvensional melimpah di Bumi, tidak ada bentuk lain yang ditemukan di permukaan planet kita – kecuali di laboratorium penelitian. Namun, bentuk tekanan tinggi es VI dan es VII ditemukan sebagai inklusi dalam intan dan oleh karena itu telah ditambahkan ke daftar mineral oleh International Mineralogical Association (IMA). Banyak jenis es air terbentuk dalam luasnya ruang di bawah kondisi tekanan dan suhu khusus. Mereka ditemukan, misalnya, di benda-benda angkasa seperti bulan Jupiter Ganymede, yang ditutupi oleh lapisan-lapisan varietas es yang berbeda.

Es XV dan es XIX mewakili pasangan saudara pertama dalam fisika es yang kisi oksigennya sama, tetapi pola susunan atom hidrogennya berbeda. “Ini juga berarti bahwa untuk pertama kalinya sekarang mungkin untuk mewujudkan transisi antara dua bentuk es yang teratur dalam eksperimen,” Thomas Loerting dengan senang hati melaporkan. Sejak 1980-an, para peneliti di Universitas Innsbruck, Austria, kini bertanggung jawab atas penemuan empat kristal serta dua bentuk es amorf.

Pekerjaan penelitian saat ini dilakukan dalam kerangka Platform Penelitian untuk Material dan Nanosains di Universitas Innsbruck dan secara finansial didukung oleh Austrian Science Fund FWF.

Jurnal Referensi:

• Tobias M. Gasser, Alexander V. Thoeny, A. Dominic Fortes & Thomas Loerting. 2021. Structural characterization of ice XIX as the second polymorph related to ice VI. Nature Communications, 2021 DOI: 10.1038/s41467-021-21161-z