Para peneliti di EPFL telah mengembangkan teknik baru yang memungkinkan para ilmuwan mengamati molekul air saat mereka membentuk ikatan hidrogen, yang penting untuk sifat unik air.

Metode yang disebut Spektroskopi Getaran Terkorelasi (CVS) ini memungkinkan peneliti untuk mengukur efek elektronik dan kuantum dari ikatan ini untuk pertama kalinya tanpa bergantung pada simulasi teoritis.

Karakteristik unik air, seperti kemampuannya untuk menopang kehidupan, berasal dari bagaimana molekul-molekulnya saling terikat.

Ikatan ini, yang dikenal sebagai ikatan hidrogen, terjadi ketika atom hidrogen dan oksigen dari molekul air yang berbeda berinteraksi dan berbagi muatan listrik.

Namun, memahami detail kuantum ikatan ini selalu menjadi tantangan.

Tim yang dipimpin oleh Sylvie Roke dari Sekolah Teknik EPFL, menerbitkan temuan mereka di Science.

Metode CVS baru ini memungkinkan ilmuwan untuk membedakan antara dua jenis molekul air: yang berpartisipasi dalam ikatan hidrogen dan yang tidak.

Sebelumnya, metode spektroskopi lain hanya dapat mengukur kedua jenis molekul secara bersamaan, sehingga sulit untuk mengidentifikasi karakteristik uniknya.

Untuk memahami perilaku air, para peneliti menggunakan pulsa laser yang sangat pendek, yang berlangsung hanya sepersejuta detik (femtodetik), dalam rentang inframerah dekat.

Pulsa yang sangat cepat ini menyebabkan osilasi dan perpindahan kecil dalam molekul air, yang memancarkan cahaya tampak dalam pola hamburan.

Warna cahaya mengungkapkan informasi tentang pergerakan atom di dalam dan di antara molekul, sementara pola hamburan menunjukkan susunan spasialnya.

Tidak seperti metode tradisional, yang menempatkan detektor spektrografi pada sudut 90 derajat terhadap sinar laser, tim EPFL mengubah posisi detektor dan menggunakan kombinasi cahaya terpolarisasi yang berbeda.

Pendekatan ini memungkinkan mereka untuk membuat spektrum terpisah untuk molekul yang terlibat dalam ikatan hidrogen dan yang tidak.

"Setiap jenis molekul air memiliki spektrum getarannya sendiri yang unik," jelas Roke.

"Dengan berfokus pada spektrum yang terkait dengan ikatan hidrogen, kita dapat secara langsung mengukur sifat-sifat seperti pembagian muatan dan kekuatan ikatan."

Dalam percobaan mereka, para peneliti juga menggunakan CVS untuk mempelajari bagaimana perubahan tingkat pH air memengaruhi ikatan hidrogen.

Mereka melakukannya dengan menambahkan ion hidroksida (agar air lebih basa) atau proton (agar air lebih asam).

Mereka menemukan bahwa ion hidroksida menyumbang 8% lebih banyak muatan pada ikatan hidrogen, sementara proton menerima 4% muatan—detail yang sebelumnya tidak dapat diukur secara eksperimental.

Hasil ini didukung oleh simulasi canggih yang dilakukan oleh kolaborator di Prancis, Italia, dan Inggris.

Tim tersebut menekankan bahwa CVS tidak terbatas pada mempelajari air. "Kemampuan untuk mengukur kekuatan ikatan hidrogen secara langsung adalah alat yang ampuh," kata Roke.

"Ini dapat membantu kita memahami detail tingkat molekuler dalam larutan apa pun, seperti yang mengandung gula, protein, atau bahkan DNA."

CVS dapat digunakan untuk mengeksplorasi berbagai macam cairan, sistem, dan proses, yang menawarkan wawasan baru di luar apa yang sebelumnya mungkin.

Terobosan dalam spektroskopi ini membuka peluang baru yang menarik untuk mengeksplorasi interaksi mendasar yang memberi air dan cairan lain sifat uniknya. (kpo)