Bagaimana perak iodida menghasilkan es: Peneliti TU Wien mengungkap bagaimana kristal kecil memicu pembentukan es pada tingkat atom
Tidak ada yang bisa mengendalikan cuaca, tapi awan tertentu bisa sengaja dipicu untuk melepaskan hujan atau salju. Prosesnya, yang dikenal sebagai penyemaian awan, biasanya melibatkan penyebaran partikel kecil perak iodida dari pesawat ke awan. Partikel-partikel ini bertindak sebagai benih tempat molekul air terakumulasi, membentuk kristal es yang tumbuh dan akhirnya menjadi cukup berat untuk jatuh ke tanah sebagai hujan atau salju.
Hingga saat ini, detail mikroskopis dari proses ini masih belum jelas. Dengan menggunakan mikroskop resolusi tinggi dan simulasi komputer, para peneliti di TU Wien telah menyelidiki bagaimana perak iodida berinteraksi dengan air pada skala atom. Temuan mereka mengungkapkan bahwa perak iodida memperlihatkan dua permukaan yang berbeda secara fundamental, namun hanya satu di antaranya yang mendorong nukleasi es. Penemuan ini memperdalam pemahaman kita tentang bagaimana awan membentuk hujan dan salju dan mungkin memandu desain material yang lebih baik untuk mendorong curah hujan.
Struktur permukaan memegang kunci pembentukan es
“Perak iodida membentuk struktur heksagonal dengan simetri enam kali lipat yang sama dengan yang biasa ditemukan pada kepingan salju,” kata Jan Balajka dari Institut Fisika Terapan di TU Wien, yang memimpin penelitian. “Jarak antar atom juga sangat mirip dengan jarak pada kristal es. Untuk waktu yang lama, kesamaan struktural diyakini menjelaskan mengapa perak iodida merupakan inti yang efektif untuk pembentukan es. Namun, jika diteliti lebih dekat, akan terungkap mekanisme yang lebih kompleks.”
Struktur atom permukaan tempat terjadinya nukleasi es berbeda dengan struktur atom di dalam kristal. Ketika kristal perak iodida dibelah, atom perak berakhir di satu sisi dan atom yodium di sisi lainnya. “Kami menemukan bahwa permukaan yang mengandung perak dan yodium keduanya melakukan rekonstruksi, namun dengan cara yang sangat berbeda,” kata Johanna Hütner, yang melakukan eksperimen. Permukaan yang diakhiri dengan perak mempertahankan susunan heksagonal yang menyediakan cetakan ideal untuk pertumbuhan lapisan es, sedangkan permukaan yang diakhiri dengan yodium direkonstruksi menjadi pola persegi panjang yang tidak lagi sesuai dengan simetri enam kali lipat kristal es.
“Hanya permukaan berlapis perak yang berkontribusi terhadap efek nukleasi,” jelas Balajka. “Kemampuan perak iodida untuk memicu pembentukan es di awan tidak dapat dijelaskan hanya dengan struktur kristalnya yang besar. Faktor penentunya adalah penataan ulang skala atom di permukaan, sebuah efek yang selama ini diabaikan sepenuhnya.”
Mengungkap nukleasi es melalui eksperimen dan simulasi
Tim TU Wien menyelidiki dampak ini dengan menggunakan dua pendekatan yang saling melengkapi. Pertama, percobaan dilakukan dalam kondisi vakum sangat tinggi dan pada suhu yang sangat rendah. Uap air diendapkan ke kristal perak iodida kecil, dan struktur yang dihasilkan diperiksa menggunakan mikroskop gaya atom resolusi tinggi.
“Salah satu tantangannya adalah semua eksperimen harus dilakukan dalam kegelapan total,” jelas Johanna Hütner. “Perak iodida sangat sensitif terhadap cahaya, suatu sifat yang membuatnya berguna dalam pelat dan film fotografi. Kami hanya menggunakan lampu merah sesekali saat menangani sampel di dalam ruang vakum.”
Secara paralel, tim mensimulasikan permukaan dan struktur air yang menutupinya menggunakan teori fungsional kepadatan, sebuah metode komputasi canggih untuk pemodelan mekanika kuantum interaksi skala atom. “Simulasi ini memungkinkan kami menentukan susunan atom mana yang paling stabil secara energetik,” jelas Andrea Conti, yang melakukan perhitungan. “Dengan memodelkan antarmuka perak iodida-air secara akurat, kita dapat mengamati bagaimana molekul air pertama tersusun di permukaan untuk membentuk lapisan es.”
“Sungguh luar biasa bahwa selama ini kita mengandalkan penjelasan fenomenologis yang agak kabur tentang perilaku nukleasi perak iodida,” kata Ulrike Diebold, kepala Kelompok Fisika Permukaan di TU Wien, tempat penelitian dilakukan. “Nuklirisasi es adalah fenomena yang sangat penting bagi fisika atmosfer, dan pemahaman skala atom memberikan landasan untuk mengevaluasi apakah bahan lain dapat berfungsi sebagai agen nukleasi yang efektif.”
Publikasi asli
JI Hütner, A. Conti, D. Kugler, F. Sabath, KN Dreier, H.-G. Stammler, F. Mittendorfer, A. Kühnle, M. Schmid, U. Diebold, dan J. BalajkaRekonstruksi permukaan mengatur nukleasi es pada perak iodida, Sains Kemajuan (2025). https://doi.org/10.1126/sciadv.aea2378
