Air tampak sederhana, tetapi perilakunya sering kali menantang pemahaman ilmiah. Salah satu contoh paling menarik adalah proses pembekuan. Ketika air mendingin hingga di bawah titik beku, ia tidak serta-merta berubah menjadi es. Mula-mula, molekul air membentuk inti es yang sangat kecil, jauh lebih kecil dari yang bisa dilihat dengan mata atau mikroskop biasa. Proses awal ini disebut nukleasi es, dan di sinilah banyak misteri fisika masih tersimpan.
Salah satu pertanyaan mendasar dalam nukleasi es adalah tentang tekanan. Tekanan biasanya kita pahami sebagai gaya yang menekan suatu benda. Namun pada skala molekul, konsep tekanan menjadi jauh lebih rumit. Apakah tekanan di dalam inti es sama dengan tekanan air di sekitarnya. Dan bagaimana cara terbaik untuk mendefinisikan tekanan pada sistem sekecil itu. Sebuah studi terbaru mencoba menjawab pertanyaan ini dengan membandingkan dua cara pandang yang berbeda.
Baca juga artikel tentang: Es dan Petir: Hubungan Tersembunyi yang Baru Terungkap
Dalam ilmu fisika, tekanan dapat didefinisikan dengan dua pendekatan utama. Pendekatan mekanik melihat tekanan sebagai hasil dari gaya dan tegangan antar molekul. Pendekatan termodinamika mendefinisikan tekanan melalui keseimbangan energi dan potensi kimia. Pada sistem besar seperti gas atau cairan dalam wadah, kedua pendekatan ini biasanya menghasilkan nilai yang sama. Namun pada sistem sangat kecil seperti inti es, kesamaan ini belum tentu berlaku.
Penelitian ini mempelajari inti es yang terbentuk di dalam air superdingin, yaitu air yang suhunya sudah di bawah titik beku tetapi masih tetap cair. Kondisi ini sering terjadi di awan, dan berperan besar dalam pembentukan hujan es dan salju. Para peneliti menggunakan model molekul air yang realistis untuk mensimulasikan pembentukan inti es pada tekanan satu bar, yaitu tekanan udara normal, dan suhu sekitar minus dua puluh enam derajat Celsius.
Dengan pendekatan mekanik, para peneliti menghitung tekanan di dalam inti es berdasarkan gaya antar molekul. Hasilnya menunjukkan bahwa tekanan di dalam inti es lebih rendah dibandingkan tekanan air cair di sekitarnya. Temuan ini sejalan dengan hasil penelitian sebelumnya pada model molekul sederhana, di mana inti kristal sering berada dalam kondisi tekanan lebih rendah.
Namun penelitian ini tidak berhenti di situ. Dari tekanan mekanik tersebut, para peneliti kemudian menurunkan nilai tegangan antarmuka, yaitu gaya yang muncul di batas antara es dan air. Tegangan antarmuka ini sangat penting karena menentukan seberapa mudah inti es dapat tumbuh atau justru hancur kembali.
Selanjutnya, para peneliti membandingkan hasil mekanik ini dengan pendekatan termodinamika. Dalam pendekatan ini, tekanan ditentukan dengan membandingkan inti es dengan es dalam jumlah besar yang berada pada kondisi energi kimia yang sama. Pendekatan ini lebih abstrak, tetapi sering digunakan dalam teori klasik nukleasi.
Hasil perbandingan ini cukup mengejutkan. Tidak seperti pada sistem model sederhana sebelumnya, pada sistem es air yang realistis, tekanan mekanik dan tekanan termodinamika ternyata hampir sama. Ini berarti bahwa untuk inti es dalam air, kedua cara pandang tekanan tersebut memberikan gambaran yang konsisten. Temuan ini penting karena menunjukkan bahwa teori klasik nukleasi es mungkin lebih dapat diandalkan daripada yang sebelumnya diperkirakan, setidaknya untuk sistem air.
Namun ada satu pengecualian penting. Para peneliti juga mempelajari sifat antarmuka es pada bidang tertentu yang disebut bidang basal, yaitu salah satu orientasi kristal es yang paling umum. Pada bidang ini, mereka menemukan bahwa tegangan antarmuka yang dihitung secara mekanik hampir dua kali lebih besar daripada energi bebas antarmuka yang dihitung secara termodinamika.
Perbedaan ini menunjukkan bahwa meskipun tekanan di dalam inti es dapat didefinisikan secara konsisten, sifat antarmuka es tidak selalu demikian. Dengan kata lain, cara kita menghitung gaya dan energi di batas antara es dan air sangat bergantung pada pendekatan yang digunakan dan pada detail struktur kristalnya.
Temuan ini memiliki makna yang luas. Dalam ilmu iklim, pembentukan es di awan sangat memengaruhi curah hujan, pembentukan badai, dan keseimbangan energi atmosfer. Model iklim global sering menggunakan parameter sederhana untuk menggambarkan nukleasi es. Jika parameter tersebut tidak mempertimbangkan perbedaan definisi tekanan dan tegangan antarmuka, hasil model bisa meleset.
Dalam bidang teknik, pemahaman tentang nukleasi es penting untuk mencegah pembentukan es yang tidak diinginkan, misalnya pada sayap pesawat, turbin angin, atau pipa industri. Mengetahui bagaimana tekanan dan energi bekerja pada tahap paling awal pembekuan dapat membantu merancang permukaan atau kondisi yang menghambat pembentukan inti es.
Penelitian ini juga memberikan pelajaran penting tentang keterbatasan metode ilmiah. Pendekatan mekanik sering dianggap lebih langsung karena berangkat dari gaya nyata antar molekul. Namun studi ini menunjukkan bahwa pendekatan mekanik tidak selalu dapat digunakan untuk menghitung energi bebas antarmuka dengan akurat. Hal ini menjadi pengingat bahwa tidak ada satu metode tunggal yang selalu benar dalam semua kondisi.
Bagi masyarakat awam, pembahasan tentang tekanan mekanik dan termodinamika mungkin terdengar abstrak. Namun intinya sederhana. Pada skala sangat kecil, seperti saat air mulai membeku, konsep fisika yang kita anggap pasti ternyata bisa memiliki makna ganda. Para ilmuwan harus berhati-hati memilih definisi dan metode agar tidak salah menafsirkan proses alam.
Studi ini juga menunjukkan betapa uniknya air dibandingkan zat lain. Banyak hasil penelitian pada sistem sederhana tidak bisa langsung diterapkan pada air. Ikatan hidrogen, struktur kristal es, dan sifat antarmuka air membuatnya menjadi zat yang penuh keunikan. Itulah sebabnya air terus menjadi topik penelitian aktif meskipun telah dipelajari selama berabad abad.
Pada akhirnya, penelitian ini memperdalam pemahaman kita tentang bagaimana es mulai terbentuk dari air. Dengan membandingkan dua cara mendefinisikan tekanan, para ilmuwan tidak hanya menyelesaikan perdebatan teoretis, tetapi juga membuka jalan untuk model pembekuan yang lebih akurat. Dari awan di langit hingga es di permukaan Bumi, proses kecil di tingkat molekul ini memiliki dampak besar bagi sistem alam yang kita andalkan setiap hari.
Baca juga artikel tentang: Himalaya yang Menghangat: Pertanda Dunia Kita Sedang Bergeser
REFERENSI:
Hijes, Pablo Montero de dkk. 2025. Comparing the Mechanical and Thermodynamic Definitions of Pressure in Ice Nucleation. arXiv preprint arXiv:2511.20129.
