Tahukah Anda, Molekul Air Menentukan Materi di Sekitar Kita

Indonesains.id - Selama beberapa dekade, bidang fisika dan kimia telah menyatakan bahwa atom dan molekul yang membentuk dunia alami menentukan karakter materi padat.

Kristal garam mendapatkan kualitas kristalnya dari ikatan ionik antara ion natrium dan klorida, logam seperti besi atau tembaga mendapatkan kekuatannya dari ikatan logam antara atom besi atau tembaga, dan karet mendapatkan kelenturannya dari ikatan fleksibel dalam polimer yang membentuk karet.

Prinsip yang sama juga berlaku untuk bahan seperti jamur, bakteri, dan kayu.

Sebuah makalah baru yang diterbitkan di jurnal Nature menjungkirbalikkan paradigma itu, dan berpendapat bahwa karakter banyak bahan biologis sebenarnya diciptakan oleh air yang menembus bahan-bahan ini.

Air menimbulkan padatan dan selanjutnya menentukan sifat-sifat padatan itu, sambil mempertahankan karakteristik cairnya. Dalam makalah mereka, penulis mengelompokkan ini dan bahan lainnya ke dalam kelas materi baru yang mereka sebut "padatan hidrasi," yang mereka katakan "memperoleh kekakuan struktural mereka, karakteristik yang menentukan keadaan padat, dari cairan yang menembus pori-pori mereka."

Pemahaman baru tentang materi biologis dapat membantu menjawab pertanyaan yang telah menghantui para ilmuwan selama bertahun-tahun.

Studi baru menemukan bahwa air-lah sebenarnya yang menentukan semua materi yang ada di sekitar kita. (Kredit: Terry Ott)

"Saya pikir ini adalah momen yang sangat spesial dalam sains," kata Ozgur Sahin, seorang profesor Ilmu Biologi dan Fisika dan salah satu penulis makalah tersebut. "Ini menyatukan sesuatu yang sangat beragam dan kompleks dengan penjelasan sederhana. Ini merupakan kejutan besar, kesenangan intelektual."

Baca Juga:

Steven G. Harrellson, yang baru saja menyelesaikan studi doktoral di departemen fisika Columbia, dan seorang penulis studi tersebut, menggunakan metafora sebuah bangunan untuk menggambarkan temuan tim: "Jika Anda memikirkan bahan biologis seperti gedung pencakar langit, blok bangunan molekuler adalah rangka baja yang menahannya, dan air di antara blok penyusun molekuler adalah udara di dalam rangka baja. Kami menemukan bahwa beberapa gedung pencakar langit tidak ditopang oleh rangka bajanya, tetapi oleh udara di dalam rangka tersebut."

“Gagasan ini mungkin tampak sulit dipercaya, tetapi ini memecahkan misteri dan membantu memprediksi keberadaan fenomena menarik dalam materi,” tambah Sahin.

Ketika air dalam bentuk cairnya, molekul-molekulnya mencapai keseimbangan yang baik antara keteraturan dan ketidakteraturan. Tetapi ketika molekul-molekul yang membentuk bahan-bahan biologis bergabung dengan air, mereka mengarahkan keseimbangan ke arah keteraturan: Air ingin kembali ke keadaan semula.

Akibatnya, molekul air mendorong molekul materi biologis menjauh. Gaya dorong itu, yang disebut gaya hidrasi, diidentifikasi pada tahun 1970-an, tetapi dampaknya terhadap materi biologis dianggap terbatas. Argumen makalah baru ini bahwa gaya hidrasi adalah yang mendefinisikan karakter materi biologis hampir seluruhnya, termasuk seberapa lunak atau kerasnya, dengan demikian sungguh mengejutkan.

Kami telah lama mengetahui bahwa bahan biologis menyerap kelembapan sekitar. Pikirkan, misalnya, pintu kayu, yang mengembang selama musim lembab. Penelitian ini, bagaimanapun, menunjukkan bahwa air ambien jauh lebih penting bagi karakter kayu, jamur, tanaman, dan bahan alami lainnya daripada yang pernah kita ketahui.

Temuan makalah ini berlaku untuk sejumlah besar dunia di sekitar kita: Bahan biologis higroskopis - yaitu, bahan biologis yang memungkinkan air masuk dan keluar - berpotensi membentuk 50% hingga 90% dunia hidup di sekitar kita, termasuk semua kayu dunia, tetapi juga bahan-bahan lain yang dikenal seperti bambu, kapas, kerucut pinus, wol, rambut, kuku, butiran serbuk sari pada tumbuhan, kulit luar hewan, dan spora bakteri serta jamur yang membantu organisme ini bertahan hidup dan bereproduksi.

Istilah yang diciptakan di makalah, "padatan hidrasi," berlaku untuk bahan alami apa pun yang responsif terhadap kelembapan sekitar. Dengan persamaan yang diidentifikasi tim, mereka dan peneliti lain sekarang dapat memprediksi sifat mekanik material dari prinsip fisika dasar.

Sejauh ini, ini terutama berlaku untuk gas, berkat persamaan gas umum yang terkenal, yang telah diketahui para ilmuwan sejak abad ke-19.

"Saat kita berjalan-jalan di hutan, kita menganggap pohon dan tumbuhan di sekitar kita sebagai benda padat yang khas. Penelitian ini menunjukkan bahwa kita harus benar-benar menganggap pohon dan tumbuhan itu sebagai menara air yang menahan gula dan protein di tempatnya," kata Sahin. "Ini benar-benar dunia air."

Hasil penelitian ini telah dipublikasikan di jurnal Nature pada 7 Juni 2023 dengan judul Hydration solids.

*****