Air telah dipelajari lebih dari hampir semua zat lainnya, namun para ilmuwan telah lama memperdebatkan pertanyaan sederhana yang mengejutkan: Apa yang terjadi pada sifat kimianya ketika ia dimasukkan ke dalam ruang yang lebarnya hanya beberapa molekul?
Ruang-ruang kecil ini ada di alam dan teknologi, termasuk pori-pori, membran, dan saluran biologis pada skala nano. Sebuah studi baru mengungkapkan bahwa jawabannya lebih beragam dari yang diperkirakan para peneliti, sehingga membantu menyelesaikan hasil yang bertentangan selama bertahun-tahun.
Mengapa Pemisahan Air Itu Penting
Salah satu sifat kimia yang menentukan air adalah kemampuannya untuk terpecah menjadi dua partikel bermuatan: H3Oh+ (ion hidronium) dan OH– (ion hidroksida). Proses ini menentukan pH, yang mengukur derajat keasaman atau kebasaan (basa) suatu larutan, dan memainkan peran sentral dalam kimia asam-basa. Ini mempengaruhi segalanya mulai dari enzim yang menjaga fungsi sel Anda hingga reaksi yang terjadi di dalam baterai.
Para ilmuwan ingin menentukan apakah membatasi air pada ruang sekecil sepermiliar meter akan mengubah seberapa cepat pemisahan ini terjadi.
Temuan mereka, dipublikasikan di Kemajuan ilmu pengetahuanmenunjukkan bahwa reaktivitas kimiawi air yang dibatasi nano sangat bergantung pada faktor-faktor seperti kepadatan, ukuran pori, fleksibilitas dinding, dan kimia permukaan.
“Ketika kita membandingkan sistem-sistem dalam kondisi termodinamika yang setara, khususnya pada potensi kimia yang sama (jumlah yang menentukan berlangsungnya suatu reaksi), efek pengurungan sebagian besar hilang. Dengan kata lain, pengurungan saja tidak secara inheren mengubah reaktivitas air. Hal ini menjelaskan mengapa eksperimen selama dekade terakhir menghasilkan hasil yang bertentangan,” kata Xavier R. Advincula, penulis utama studi tersebut.
“Kontradiksi dalam literatur sebagian besar disebabkan oleh para ilmuwan yang membandingkan sistem pada tekanan atau kepadatan efektif yang berbeda tanpa menyadarinya.”
Pembelajaran mesin mengungkap bagian yang hilang
Untuk mengeksplorasi masalah ini, para peneliti mengandalkan simulasi pembelajaran mesin yang mereplikasi ketepatan mekanika kuantum sekaligus memungkinkan mereka mempelajari kondisi yang jauh lebih luas dibandingkan metode komputasi tradisional.
Tim memeriksa air yang terperangkap di antara lembaran graphene dan hexagonal boron nitride (hBN). Meskipun kedua bahan tersebut hanya memiliki ketebalan satu atom dan memiliki struktur yang serupa, sifat kimia permukaannya sangat berbeda.
Simulasi juga mengungkapkan bahwa tetesan air yang berada di antara material ini mengalami tekanan internal yang sangat tinggi. Air yang terperangkap di antara lembaran graphene atau hBN dapat mencapai tekanan beberapa gigapascal, serupa dengan tekanan yang ditemukan jauh di dalam bumi, bahkan jika tidak ada gaya eksternal yang diterapkan.
Sebaliknya, tekanan berkembang secara alami karena gaya tarik Van der Waals antara lapisan atom yang tipis. Meskipun gaya antar atom lemah, gaya tersebut menjadi sangat kuat pada area permukaan material dua dimensi yang luas, menarik lembaran-lembaran tersebut dan menekan air yang terperangkap di antara keduanya.
Tekanan, bukan kurungan, yang menentukan reaktivitas air
Para peneliti telah menemukan bahwa tekanan kuat ini secara signifikan meningkatkan pemecahan molekul air.
Namun, ketika mereka membandingkan air yang terkurung dengan air biasa yang terkena tekanan yang sama, keduanya pada dasarnya berperilaku sama. Hal ini menunjukkan bahwa peningkatan reaktivitas terutama berasal dari tekanan itu sendiri, bukan dari kurungan saja.
“Apa yang paling mengejutkan kami adalah seberapa besar efek pengurungan dapat dijelaskan oleh termodinamika. Ketika tekanan dan potensi kimia diperhitungkan dengan tepat, banyak kompleksitas yang terjadi,” kata Profesor Angelos Michaelides, dari Departemen Kimia Yusuf Hamied di Universitas Cambridge.
Kimia permukaan masih memainkan peran penting
Meskipun memasukkan air ke dalam ruang kecil tidak membuatnya lebih reaktif, material di sekitarnya masih dapat mempengaruhi sifat kimianya.
Dalam tetesan air yang dibatasi oleh hBN, ion hidroksida (OH– ) yang terbentuk di sekitar tepinya yang terikat secara kimiawi dengan material di sekitarnya. Hal ini menstabilkan ion-ion, mengurangi energi yang dibutuhkan untuk memecah air, dan meningkatkan derajat disosiasi.
Efek yang sama tidak diamati pada graphene karena permukaan inert kimianya tidak ikut serta dalam reaksi.
Hasilnya menunjukkan bahwa material di sekitar air yang terkurung dapat secara aktif membentuk perilaku kimianya.
“Penelitian ini memberikan kerangka kerja baru untuk memahami kimia air pada skala nano dan membantu merekonsiliasi studi yang tampaknya bertentangan selama satu dekade,” kata Dr. Christoph Schran, dari kelompok Condensed Matter Theory di Laboratorium Cavendish.
“Lebih penting lagi, penelitian ini menawarkan prinsip desain praktis untuk rekayasa lingkungan kimia pada skala nano. Daripada hanya berfokus pada ukuran pori atau saluran, kita dapat menyesuaikan reaktivitas air dengan memilih bahan pembatas yang permukaannya berinteraksi dengan produk disosiasi air dan mengendalikan tekanan yang dihasilkan di ruang terbatas.”
Potensi aplikasi dalam teknologi energi
Temuan ini dapat mempunyai implikasi penting bagi teknologi yang bergantung pada air terbatas, termasuk sel bahan bakar hidrogen, baterai, membran selektif ion, dan sistem katalitik.
Selanjutnya, para peneliti berencana untuk mempelajari lingkungan yang lebih realistis yang mencakup cacat dan tepian yang biasa ditemukan dalam materi praktis. Mereka juga berharap dapat membandingkan prediksi mereka dengan pengukuran laboratorium menggunakan teknik spektroskopi dan nanofluida canggih.
Pada saat yang sama, tim memeriksa sejumlah besar material dua dimensi dan bahan kimia permukaan untuk mengidentifikasi kombinasi yang dapat meningkatkan atau menekan reaktivitas air untuk aplikasi teknologi tertentu.
