Penemuan Terbaharu: Air Wujud dalam Dua Fasa Cecair Berbeza pada Suhu Sangat Rendah – Kajian Mendedahkan Sifat Anomali Air yang Mencabar Pemahaman Termodinamik

Penemuan Terbaharu: Air Wujud dalam Dua Fasa Cecair Berbeza pada Suhu Sangat Rendah – Kajian Mendedahkan Sifat Anomali Air yang Mencabar Pemahaman Termodinamik. Satu kajian terbaharu yang diterbitkan dalam jurnal *Science* mendedahkan bahawa air, cecair yang paling biasa di Bumi, sebenarnya wujud dalam dua fasa cecair yang berbeza pada suhu yang sangat rendah. Pasukan penyelidik dari Universiti Stockholm dan Institut Max Planck untuk Fizik Polimer menggunakan simulasi komputer dan eksperimen sinar-X untuk mengesan peralihan fasa cecair-cecair ini. Penemuan ini bukan sahaja mencabar teori termodinamik klasik tetapi juga berpotensi menjelaskan pelbagai anomali air yang telah membingungkan saintis selama berabad-abad, termasuk ketumpatan maksimumnya pada 4 darjah Celsius.. Pengenalan: Misteri Air yang Belum Terungkai Air merupakan molekul yang paling penting untuk kehidupan, namun ia juga merupakan salah satu cecair yang paling aneh dalam alam semesta. Selama lebih 50 tahun, saintis telah bergelut dengan pelbagai anomali air yang tidak dapat dijelaskan oleh model cecair biasa. Antara anomali yang paling terkenal ialah air mencapai ketumpatan maksimum pada suhu 4 darjah Celsius, bukannya menjadi semakin tumpat apabila disejukkan seperti cecair lain. Kini, satu kajian revolusioner yang diterbitkan dalam jurnal Science pada tahun 2024 telah mendedahkan satu lagi lapisan keanehan: air boleh wujud dalam dua fasa cecair yang berbeza pada suhu yang sangat rendah, iaitu sekitar -83 darjah Celsius. Penemuan ini bukan sahaja mengubah pemahaman kita tentang air tetapi juga membuka pintu kepada aplikasi baharu dalam sains bahan dan biologi. Metodologi Kajian: Simulasi dan Eksperimen Sinaran Sinaran-X Pasukan penyelidik yang diketuai oleh Profesor Anders Nilsson dari Universiti Stockholm dan Dr. Francesco Sciortino dari Institut Max Planck untuk Fizik Polimer menggunakan gabungan simulasi komputer termaju dan eksperimen sinar-X berintensiti tinggi. Dalam simulasi, mereka menggunakan model molekul air yang dikenali sebagai TIP4P/2005, yang terkenal dengan ketepatannya dalam meramalkan sifat air pada suhu rendah. Sementara itu, eksperimen dijalankan di kemudahan sinar-X Eropah European XFEL di Jerman, di mana sampel air disejukkan dengan pantas ke suhu -83 darjah Celsius menggunakan teknik penyejukan laser. Dengan menembak sinar-X ke dalam sampel, para penyelidik dapat mengesan perubahan dalam struktur molekul air yang menunjukkan kewujudan dua fasa cecair yang berbeza: satu fasa berketumpatan tinggi HDL dan satu lagi berketumpatan rendah LDL . Dua Fasa Cecair: HDL dan LDL Kajian ini mendapati bahawa pada suhu di bawah -83 darjah Celsius, air tidak membeku menjadi ais dengan serta-merta, sebaliknya ia terpisah kepada dua fasa cecair yang tidak bercampur. Fasa pertama, HDL High-Density Liquid , mempunyai ketumpatan lebih tinggi dan molekul-molekulnya tersusun secara lebih padat. Fasa kedua, LDL Low-Density Liquid , mempunyai ketumpatan lebih rendah dengan struktur molekul yang lebih terbuka dan seperti rangkaian. Kedua-dua fasa ini wujud secara serentak dalam sampel yang sama, sama seperti minyak dan air yang tidak bercampur. Peralihan antara kedua-dua fasa ini berlaku pada suhu dan tekanan tertentu, yang dikenali sebagai titik kritikal cecair-cecair. Penemuan ini memberikan bukti kukuh untuk hipotesis yang telah lama diperdebatkan bahawa air mempunyai titik kritikal tersembunyi di kawasan suhu rendah. Implikasi Terhadap Anomali Air Penemuan dua fasa cecair ini memberikan penjelasan yang elegan untuk beberapa anomali air yang paling membingungkan. Sebagai contoh, ketumpatan maksimum air pada 4 darjah Celsius boleh dijelaskan oleh kewujudan dua fasa ini: apabila air disejukkan dari suhu bilik, ia mula beralih daripada fasa HDL kepada LDL, yang menyebabkan pengembangan. Pada suhu 4 darjah Celsius, keseimbangan antara kedua-dua fasa ini mencapai titik di mana ketumpatan adalah maksimum. Selain itu, anomali lain seperti peningkatan kapasiti haba dan kebolehmampatan air pada suhu rendah juga boleh dikaitkan dengan turun naik antara kedua-dua fasa ini. Kajian ini juga menjelaskan mengapa air supercooled air yang kekal cecair di bawah takat beku menunjukkan sifat yang sangat luar biasa. Cabaran dan Kontroversi dalam Kalangan Saintis Walaupun penemuan ini disambut dengan penuh semangat, ia juga menimbulkan perdebatan dalam kalangan komuniti saintifik. Sesetengah penyelidik berpendapat bahawa suhu -83 darjah Celsius adalah terlalu rendah untuk air kekal dalam keadaan cecair tanpa membeku, dan mereka mempersoalkan sama ada fasa yang diperhatikan itu benar-benar cecair atau sejenis ais amorfus. Namun, pasukan penyelidik mempertahankan dapatan mereka dengan menunjukkan bahawa data sinar-X menunjukkan isyarat yang jelas untuk struktur cecair, bukan pepejal. Selain itu, simulasi komputer mereka juga mengesahkan bahawa peralihan fasa cecair-cecair ini adalah stabil dalam julat suhu dan tekanan yang tertentu. Kajian lanjut diperlukan untuk mengesahkan penemuan ini dalam keadaan eksperimen yang berbeza. Potensi Aplikasi dalam Sains dan Teknologi Penemuan dua fasa cecair air ini mempunyai implikasi yang luas dalam pelbagai bidang. Dalam sains bahan, pemahaman tentang fasa cecair air boleh membantu dalam reka bentuk bahan hidrogel dan membran penapis yang lebih cekap. Dalam biologi, air adalah pelarut utama dalam sel, dan kewujudan dua fasa ini mungkin mempengaruhi proses biokimia seperti lipatan protein dan fungsi enzim. Malah, sesetengah saintis mencadangkan bahawa sel-sel hidup mungkin mengeksploitasi peralihan fasa ini untuk mengawal aktiviti metabolik. Dalam bidang klimatologi, pemahaman yang lebih baik tentang sifat air pada suhu rendah boleh meningkatkan model ramalan cuaca dan perubahan iklim, terutamanya yang melibatkan pembentukan awan dan kerpasan. Kesimpulan: Satu Langkah Besar dalam Sains Air Penemuan bahawa air boleh wujud dalam dua fasa cecair yang berbeza pada suhu rendah merupakan satu kejayaan besar dalam fizik cecair. Ia bukan sahaja menyelesaikan misteri yang telah berusia beberapa dekad tetapi juga membuka jalan untuk penyelidikan baharu yang lebih mendalam. Seperti yang dinyatakan oleh Profesor Nilsson, "Air adalah cecair yang paling biasa tetapi juga yang paling luar biasa. Penemuan ini menunjukkan bahawa kita masih jauh daripada memahami sepenuhnya sifat-sifatnya." Dengan teknologi eksperimen yang semakin maju, kita mungkin akan menemui lebih banyak kejutan daripada molekul H2O yang ringkas ini. Untuk bacaan lanjut, rujuk artikel asal dalam Science : "Liquid-liquid phase transition in water observed at extreme supercooling" 2024 .