Sumber ilustrasi: Unsplash
06 Juli 2026 14.40 WIB – Sains & Technology
_________________________________________________________________________________________________________________________________________________
Desanomia [06.07.2026] Air merupakan salah satu zat yang paling banyak dipelajari dalam ilmu pengetahuan. Meskipun demikian, para ilmuwan masih memperdebatkan satu pertanyaan mendasar: apakah sifat kimia air berubah ketika air terperangkap di dalam ruang yang lebarnya hanya beberapa molekul? Pertanyaan tersebut muncul dikarenakan ruang berskala nano seperti ini banyak ditemukan di alam maupun teknologi, mulai dari pori-pori material, membran, hingga saluran biologis di dalam sel.
Sejumlah penelitian sebelumnya menghasilkan kesimpulan yang saling bertentangan. Sebagian menyatakan bahwa ruang sempit membuat air menjadi lebih reaktif, sementara penelitian lain tidak menemukan perubahan berarti. Dalam sebuah studi terbaru dari University of Cambridge yang dipublikasikan di Science Advances menawarkan penjelasan yang mampu menyatukan berbagai hasil penelitian tersebut.
Salah satu sifat kimia paling penting dari air adalah kemampuannya untuk terurai menjadi dua partikel bermuatan, yaitu ion hidronium (H₃O⁺) dan ion hidroksida (OH⁻). Proses yang dikenal sebagai disosiasi air ini menentukan nilai pH suatu larutan dan menjadi dasar berbagai reaksi kimia asam-basa. Mekanisme tersebut memengaruhi berbagai proses penting, mulai dari kerja enzim di dalam tubuh hingga reaksi elektrokimia pada baterai.
Untuk memahami bagaimana ruang sempit memengaruhi proses tersebut, para peneliti menggunakan simulasi berbasis machine learning yang memiliki akurasi setara dengan perhitungan mekanika kuantum. Pendekatan ini memungkinkan mereka mempelajari perilaku air dalam berbagai kondisi yang sebelumnya sulit dianalisis menggunakan metode komputasi konvensional.
Penelitian dilakukan dengan mengamati air yang terperangkap di antara dua material dua dimensi, yaitu grafena dan heksagonal boron nitrida (hBN). Kedua material tersebut hanya setebal satu atom dan memiliki struktur yang hampir sama, tetapi karakteristik kimia permukaannya sangat berbeda. Perbedaan tersebut memungkinkan para peneliti memisahkan pengaruh ruang sempit dari pengaruh material yang mengelilingi air.
Simulasi menunjukkan bahwa air yang berada di antara kedua lapisan tersebut mengalami tekanan internal yang sangat tinggi, bahkan mencapai beberapa gigapascal. Besarnya tekanan tersebut sebanding dengan tekanan yang ditemukan jauh di dalam lapisan Bumi, meskipun tidak ada gaya eksternal yang diberikan pada sistem.
Tekanan tinggi itu muncul secara alami akibat gaya tarik van der Waals antara kedua lembaran material. Walaupun gaya tersebut relatif lemah pada tingkat atom tunggal, luasnya permukaan material dua dimensi membuat total gaya tarik menjadi sangat besar sehingga kedua lapisan saling mendekat dan menekan air yang berada di antaranya.
Para peneliti kemudian menemukan bahwa tekanan yang sangat tinggi tersebut memang meningkatkan proses disosiasi air. Semakin besar tekanan, semakin banyak molekul air yang terpecah menjadi ion hidronium dan hidroksida.
Akan tetapi, hasil yang paling menarik muncul ketika air yang terkungkung dibandingkan dengan air biasa yang diberi tekanan identik. Kedua sistem menunjukkan perilaku kimia yang hampir sama. Temuan ini menunjukkan bahwa peningkatan reaktivitas air terutama disebabkan oleh tekanan, bukan karena air berada di ruang sempit itu sendiri.
Penulis utama penelitian, Xavier R. Advincula, menjelaskan bahwa ketika seluruh sistem dibandingkan pada kondisi termodinamika yang benar-benar setara, khususnya pada potensial kimia yang sama, sebagian besar efek yang selama ini dianggap berasal dari ruang sempit hampir sepenuhnya menghilang. Menurut Advincula, hasil tersebut juga menjelaskan mengapa banyak penelitian selama satu dekade terakhir menghasilkan kesimpulan yang saling bertentangan, karena berbagai penelitian sebelumnya tanpa disadari membandingkan sistem dengan tekanan atau kerapatan yang berbeda.
Meskipun demikian, penelitian ini juga menunjukkan bahwa material yang mengelilingi air tetap dapat memengaruhi perilaku kimianya. Pada air yang terperangkap di antara lapisan hBN, ion hidroksida yang terbentuk di bagian tepi mampu berikatan dengan permukaan material tersebut. Ikatan ini menstabilkan ion hidroksida, menurunkan energi yang dibutuhkan untuk memisahkan molekul air, dan meningkatkan jumlah molekul yang mengalami disosiasi.
Fenomena tersebut tidak ditemukan pada grafena. Permukaan grafena yang bersifat sangat inert tidak ikut berpartisipasi dalam reaksi kimia sehingga tidak memberikan efek tambahan terhadap proses disosiasi air. Perbedaan ini menunjukkan bahwa sifat kimia material pembatas sama pentingnya dengan kondisi fisik yang dialami air.
Prof. Angelos Michaelides dari Yusuf Hamied Department of Chemistry, University of Cambridge, menjelaskan bahwa sebagian besar efek yang selama ini dianggap sebagai akibat langsung dari ruang sempit ternyata dapat dipahami melalui prinsip-prinsip termodinamika. Setelah tekanan dan potensial kimia diperhitungkan dengan tepat, berbagai hasil penelitian yang sebelumnya tampak rumit menjadi jauh lebih mudah dijelaskan.
Dr. Christoph Schran dari Theory of Condensed Matter Group di Cavendish Laboratory menambahkan bahwa penelitian ini memberikan kerangka baru dalam memahami kimia air pada skala nano sekaligus menjembatani berbagai hasil penelitian yang selama bertahun-tahun tampak saling bertentangan. Menurut Schran, penelitian tersebut juga memberikan prinsip baru dalam merancang lingkungan kimia berskala nano, yaitu dengan memilih material yang mampu berinteraksi dengan hasil disosiasi air serta mengendalikan tekanan yang muncul di dalam ruang sempit.
Temuan ini berpotensi memberikan manfaat bagi berbagai teknologi yang memanfaatkan air dalam ruang berskala nano, termasuk sel bahan bakar hidrogen, baterai, membran selektif ion, serta berbagai sistem katalitik. Para peneliti selanjutnya berencana menguji material yang lebih realistis, termasuk yang memiliki cacat struktur dan bagian tepi seperti yang umum ditemukan pada aplikasi nyata, serta membandingkan hasil simulasi dengan pengukuran laboratorium menggunakan teknik spektroskopi dan nanofluidika modern.
Penelitian terbaru menunjukkan bahwa ruang sempit ternyata bukan faktor utama yang membuat air menjadi lebih reaktif secara kimia. Peningkatan reaktivitas terutama dipicu oleh tekanan tinggi yang muncul secara alami ketika air terperangkap di antara material dua dimensi, sementara sifat kimia permukaan material tetap berperan penting dalam memengaruhi proses disosiasi air. Temuan ini membantu menjelaskan berbagai hasil penelitian yang sebelumnya saling bertentangan sekaligus membuka peluang baru dalam perancangan teknologi berbasis air pada skala nano, mulai dari baterai hingga sel bahan bakar hidrogen.
Diolah dari artikel:
“Scientists reveal what really happens when water is trapped in tiny spaces” oleh University of Cambridge. (njd)
Note: This article was made as part of a dedicated effort to bring science closer to everyday life and to inspire curiosity in its readers.
Link: https://www.sciencedaily.com/releases/2026/06/260626124706.htm
