Para ilmuwan terus menemukan kejutan baru ketika meneliti es. Selama ini banyak orang menganggap es hanya air beku yang tidak memiliki dinamika berarti. Namun riset terbaru dari Xinyu Liu dan tim menunjukkan bahwa proses pembentukan kristal es di air laut jauh lebih rumit dan menarik dibanding perkiraan kebanyakan orang. Penelitian ini menggambarkan bagaimana garam, suhu, arah pembekuan, dan bentuk kristal saling memengaruhi hingga menciptakan struktur es yang sangat kompleks.
Air laut tidak membeku dengan cara yang sama seperti air tawar. Kandungan garam di dalamnya menyebabkan proses pembentukan es berlangsung lebih lambat dan lebih acak. Ketika air mulai membeku, kristal es tidak dapat memasukkan garam ke dalam struktur padatnya. Akibatnya garam terdorong ke ruang di antara kristal kristal es. Proses ini menghasilkan kantong air asin atau saluran garam yang tetap cair meski berada di dalam es. Struktur dalam es laut menjadi jauh lebih berpori dan tidak homogen. Kondisi tersebut dapat memengaruhi habitat mikroorganisme laut, kekuatan es, dan banyak proses lingkungan lain.
Para peneliti ingin memahami lebih dalam bagaimana kristal es tumbuh, berubah bentuk, dan berkembang selama pembekuan air laut. Mereka menggunakan teknologi canggih seperti X ray micro computed tomography dan mikroskop beresolusi tinggi untuk melihat struktur internal es dalam tiga dimensi. Teknologi ini memungkinkan tim ilmuwan memantau perubahan bentuk kristal es dan distribusi kantong garam selama proses pembekuan berlangsung. Pendekatan ini memberi gambaran yang jauh lebih detail daripada metode penelitian tradisional.
Selain melakukan pengamatan langsung, para peneliti mengembangkan model matematika baru untuk menggambarkan proses pembekuan tersebut. Model ini menggunakan metode yang disebut phase field. Metode tersebut memungkinkan simulasi proses pembekuan air laut secara lebih realistis dengan mempertimbangkan sifat anisotropi kristal es. Anisotropi berarti bahwa kristal tumbuh dengan laju berbeda tergantung arah tumbuhnya. Sifat ini sangat penting karena menentukan bentuk akhir kristal dan cara garam terperangkap di dalam es.
Baca juga artikel tentang: Es dan Petir: Hubungan Tersembunyi yang Baru Terungkap
Model baru yang dikembangkan oleh tim penelitian memasukkan fungsi anisotropi yang telah dimodifikasi sehingga dapat menggambarkan pembentukan kristal es tunggal dan kantong garam dengan lebih akurat. Dengan model ini, para ilmuwan dapat mempelajari bagaimana kristal es bersaing satu sama lain dalam pembekuan arah tertentu. Fenomena ini disebut kristalisasi kompetitif. Proses ini menentukan kristal mana yang tumbuh dominan dan bagaimana bentuk keseluruhan pola es terbentuk.
Perbandingan antara simulasi dan percobaan menunjukkan hasil yang sangat mendekati. Keduanya memiliki angka Peclet yang sebanding. Angka ini mencerminkan hubungan antara laju pertumbuhan kristal es dan proses difusi garam di sekitarnya. Kesamaan angka tersebut menunjukkan bahwa model matematika yang dibuat bekerja dengan baik dan dapat digunakan untuk memprediksi perilaku kristal es dalam berbagai kondisi.
Pengamatan detail juga mengungkap fakta menarik mengenai porositas es. Para ilmuwan menemukan bahwa saluran garam muncul tidak hanya sepanjang arah pertumbuhan kristal tetapi juga secara vertikal. Struktur tiga dimensi yang muncul sangat rumit. Es yang terbentuk tidak solid sepenuhnya, melainkan memiliki pori pori dengan rata rata volume sekitar dua puluh dua persen. Struktur berpori ini dapat memengaruhi bagaimana nutrisi, gas, dan mikroorganisme bergerak di dalam es laut. Pengetahuan ini penting karena ekosistem di bawah es laut sangat bergantung pada saluran sempit yang menghubungkan air dan es.
Salah satu temuan paling menarik dari penelitian ini adalah perubahan bentuk kristal es tunggal selama pertumbuhan. Kristal tersebut mula mula tumbuh secara simetris lalu perlahan membelah menjadi enam arah utama. Pola ini sangat mirip dengan bentuk kepingan salju yang sering dilihat secara makroskopis. Namun di tingkat mikroskopis prosesnya jauh lebih halus dan dipengaruhi oleh berbagai faktor seperti kekuatan anisotropi. Ketika kekuatan anisotropi meningkat, ujung kristal tumbuh lebih cepat sementara radiusnya mengecil. Perubahan ini membuat bentuk kristal semakin runcing dan terarah.
Tingkat pendinginan juga memengaruhi efisiensi pembekuan. Ketika suhu diturunkan hingga lima belas Kelvin di bawah titik pembekuan, proses pembekuan berlangsung lebih cepat. Efisiensi ini meningkat ketika kekuatan anisotropi dalam arah tertentu bertambah. Temuan ini memberikan petunjuk baru tentang bagaimana kristal es dapat dibentuk dengan kualitas tertentu untuk aplikasi teknologi.
Hasil penelitian ini memiliki dampak yang lebih luas daripada sekadar pemahaman ilmiah mengenai es. Industri desalinasi atau pengolahan air laut menjadi air tawar sangat bergantung pada pemisahan antara garam dan air. Proses pembekuan merupakan salah satu metode yang dapat digunakan untuk memurnikan air laut. Pemahaman mengenai bagaimana garam terperangkap dalam struktur es dapat membantu merancang teknologi desalinasi yang lebih efisien. Misalnya, jika kondisi tertentu dapat membuat lebih banyak garam terkonsentrasi pada bagian tertentu dari es, maka proses pemisahannya dapat dipermudah.
Selain itu, riset ini juga berguna dalam pengembangan material berbasis air dan garam untuk keperluan penyimpanan energi. Material yang memanfaatkan perubahan fase air dan garam perlu memiliki struktur kristal tertentu agar dapat menyerap dan melepaskan energi secara optimal. Pengetahuan mengenai bagaimana kristal tumbuh dan berinteraksi dengan garam memberi dasar untuk merancang material tersebut.
Penelitian ini membuka jendela baru menuju pemahaman yang lebih komprehensif tentang perilaku es laut. Struktur yang tampak sederhana ternyata menyimpan kompleksitas luar biasa. Garam dan kristal es berinteraksi dalam tarian mikroskopis yang membentuk pola tiga dimensi unik. Setiap perubahan suhu atau arah pertumbuhan dapat membawa perubahan besar pada struktur akhir es. Pemahaman lebih dalam mengenai proses tersebut tidak hanya memuaskan rasa ingin tahu ilmiah tetapi juga dapat membawa manfaat besar bagi teknologi lingkungan dan industri masa depan.
Baca juga artikel tentang: Himalaya yang Menghangat: Pertanda Dunia Kita Sedang Bergeser
REFERENSI:
Liu, Xinyu dkk. 2025. Unveiling the dynamics of ice crystal growth and evolution in solidifying seawater. Desalination, 119207.
