Penemuan Superionic Ice: Air Pepejal yang Mengalirkan Elektrik seperti Logam Mencabar Hukum Fizik

Penemuan Superionic Ice: Air Pepejal yang Mengalirkan Elektrik seperti Logam Mencabar Hukum Fizik. Para saintis dari Makmal Kebangsaan Lawrence Livermor (LLNL) berjaya mencipta 'superionic ice' – satu bentuk air pepejal yang kekal stabil pada suhu ribuan darjah Celsius dan tekanan jutaan atmosfera. Dalam keadaan ini, molekul air terurai menjadi ion oksigen dan hidrogen, membolehkan ais mengalirkan elektrik seperti logam. Penemuan ini, yang diterbitkan dalam Nature Physics, bukan sahaja mengubah pemahaman kita tentang air tetapi juga menjelaskan misteri medan magnet gergasi planet Uranus dan Neptun.. Pengenalan: Air yang Tidak Lagi Biasa Air, H₂O, adalah molekul yang paling dikenali di Bumi. Kita mendidihkannya, membekukannya, dan menganggapnya sebagai cecair yang mudah diramal. Namun, di dalam makmal bertekanan tinggi, air mampu bertukar menjadi sesuatu yang asing: pepejal hitam panas yang mengalirkan elektrik seperti logam. Fenomena ini dikenali sebagai superionic ice, satu keadaan jirim yang pertama kali diramal secara teori pada tahun 1988 oleh ahli fizik Pierfranco Demontis dan rakan-rakannya, tetapi baru berjaya dibuktikan secara eksperimen pada tahun 2018 oleh pasukan penyelidik dari Makmal Kebangsaan Lawrence Livermor LLNL di California, Amerika Syarikat. Metodologi Kajian: Menghancurkan Air dengan Laser Pasukan yang diketuai oleh Dr. Marius Millot menggunakan teknik mampatan mampatan kejutan laser laser-driven shock compression untuk menghasilkan superionic ice. Mereka meletakkan sampel air cecair di antara dua lapisan berlian, kemudian menembak enam laser berkuasa tinggi secara serentak ke arah sampel tersebut. Dalam masa beberapa nanosaat, tekanan meningkat kepada lebih 100 gigapascal kira-kira satu juta kali tekanan atmosfera Bumi dan suhu melonjak melebihi 2,000 darjah Celsius. Dengan menggunakan sinar-X daripada kemudahan Linac Coherent Light Source LCLS di SLAC National Accelerator Laboratory, mereka memerhatikan struktur kristal ais yang terhasil. Hasilnya mengejutkan: ais itu kekal pepejal walaupun pada suhu yang cukup tinggi untuk meleburkan keluli. Sifat Superionic Ice: Pepejal yang Mengalir seperti Cecair Dalam superionic ice, molekul air tidak lagi wujud sebagai unit H₂O yang utuh. Sebaliknya, atom oksigen membentuk kekisi kristal yang tetap – sama seperti dalam ais biasa – manakala atom hidrogen proton bergerak bebas di antara celah-celah kekisi tersebut. Pergerakan proton yang pantas inilah yang memberikan superionic ice sifat konduktiviti elektrik yang tinggi, setanding dengan logam seperti tembaga. Dalam erti kata lain, ais ini adalah pepejal dari segi struktur tetapi cecair dari segi pengaliran ion. Fenomena ini tidak pernah diperhatikan dalam mana-mana bahan lain di Bumi. Implikasi untuk Planet Gergasi Ais: Uranus dan Neptun Penemuan superionic ice mempunyai implikasi besar dalam astronomi dan sains planet. Uranus dan Neptun, yang dikenali sebagai planet gergasi ais, dipercayai mempunyai medan magnet yang ganjil dan tidak simetri. Model sebelumnya sukar menjelaskan bagaimana planet-planet ini menghasilkan medan magnet yang begitu kuat dan tidak teratur. Kini, dengan kehadiran superionic ice di dalam mantel planet tersebut – pada kedalaman di mana tekanan dan suhu mencukupi – pergerakan proton dalam ais superionik boleh menghasilkan arus elektrik yang seterusnya menjana medan magnet. Kajian susulan oleh pasukan yang sama, diterbitkan dalam Physical Review Letters pada 2021, mengesahkan bahawa superionic ice boleh wujud dalam pelbagai bentuk kristal bergantung kepada tekanan, memberikan lebih banyak petunjuk tentang struktur dalaman planet gergasi ais. Cabaran dan Penyelidikan Masa Depan Walaupun penemuan ini mengagumkan, superionic ice hanya stabil pada tekanan melebihi 100 GPa – jauh melebihi tekanan di dasar lautan Bumi kira-kira 0.1 GPa . Oleh itu, kita tidak akan menjumpai ais ini secara semula jadi di permukaan Bumi. Namun, saintis kini sedang mengkaji kemungkinan kewujudan superionic ice di dalam mantel Bumi yang dalam, di mana tekanan juga sangat tinggi. Selain itu, pemahaman tentang superionic ice boleh membantu dalam pembangunan bahan baru untuk aplikasi teknologi, seperti bateri keadaan pepejal yang menggunakan pergerakan ion untuk menyimpan tenaga. Kesimpulan: Satu Langkah ke Arah Memahami Alam Semesta Superionic ice adalah peringatan bahawa bahan yang kita anggap biasa boleh menyembunyikan sifat yang luar biasa apabila dikenakan keadaan ekstrem. Penemuan ini bukan sahaja menjawab soalan lama tentang medan magnet planet gergasi ais, tetapi juga membuka pintu kepada bidang penyelidikan baru dalam fizik bahan bertekanan tinggi. Dengan kemajuan teknologi laser dan sumber sinar-X, kita mungkin akan menemui lebih banyak keadaan jirim yang aneh dan menakjubkan, yang suatu hari nanti boleh mengubah cara kita hidup. Rujukan - Millot, M., et al. 2018 . "Experimental evidence for superionic water ice using shock compression." Nature Physics, 14, 297–302. https://doi.org/10.1038/s41567-017-0017-4 - Millot, M., et al. 2019 . "Nanosecond X-ray diffraction of shock-compressed superionic water ice." Nature, 569, 251–255. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1114-6 - French, M., et al. 2021 . "Structure and properties of superionic ice." Physical Review Letters, 126, 185701. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.126.185701