BUTIRAN GEL YANG MERAYAP MENEMBUS ES PADAT

Hidrogel adalah jaringan rantai polimer yang basah oleh air. Hidrogel bisa mengembang dan menyusut secara dramatis, dan ada di mana-mana: superabsorben yang menyerap tumpahan, gel berisi obat yang melepaskan obatnya dengan laju terkendali, robot lunak, rekayasa jaringan, makanan, kosmetik — bahkan tulang rawan di sendi kita berperilaku seperti hidrogel.

Semua ini bergantung pada satu hal: bagaimana air bergerak melalui gel. Tiga sifat menggambarkannya — permeabilitas, kekakuan ketika gel ditekan, dan difusivitas poroelastis (poroelastic diffusivity), yang menentukan seberapa cepat pembengkakan menyebar. Ketiganya terkenal sulit diukur, karena air merambat melalui gel dengan sangat lambat. Para penulis memberi contoh: dorong air melalui membran gel setebal 1 mm dengan beda tekanan 1 kilopascal, dan air mengalir sekitar satu nanometer per detik. Mengukur kekakuan memakan waktu sekitar tiga jam per titik data pada sampel setebal 1 mm.

Butiran yang bergerak menembus es

Tim Robert Style di ETH Zurich membuat partikel gel berjari-jari 8 hingga 14 mikrometer — jauh lebih kecil daripada sebutir pasir halus — dari polimer umum, PEGDA. Mereka membekukannya dalam sel tipis di antara dua balok tembaga dan mengamatinya di bawah mikroskop.

Kejutan pertama: di dalam es, butiran menyusut. Es mengelilingi setiap butiran tetapi tidak bisa masuk ke pori-porinya yang mungil. Sebaliknya, es menarik air keluar dari gel, sama seperti udara kering. Fenomena ini disebut kriosuksi (cryosuction), dan kekuatannya besar: daya sedot bertambah sekitar 1 megapascal untuk setiap derajat di bawah nol. Antara 0 dan −2 °C, butiran kehilangan sekitar 20 % jari-jarinya — separuh volumenya.

Kejutan kedua: ketika satu sisi sel lebih hangat daripada sisi lainnya, butiran mulai bergerak menembus es padat, menuju sisi yang hangat, dengan kecepatan sekitar 0,1 mikrometer per detik, sambil mengembang di sepanjang jalan.

Mekanismenya: daya sedot lebih kuat di sisi dingin sebuah butiran. Es mencair di sisi hangat, air mengalir melalui gel dan membeku lagi di sisi dingin. Es baru itu mendorong butiran ke depan. Eksperimen kontrolnya jelas: partikel yang tidak bisa dilewati air sama sekali tidak bergerak.

Sebuah alat ukur

Karena kecepatan ditentukan oleh seberapa mudah air mengalir melalui gel, mengukur kecepatan langsung memberikan permeabilitas. Dan karena butiran menyusut saat makin dingin, satu butiran saja bisa diukur pada banyak kadar air yang berbeda.

Kecepatan sebanding dengan gradien suhu dan tidak bergantung pada ukuran butiran, seperti yang diprediksi teori.
Permeabilitas turun hampir 100 kali lipat ketika fraksi polimer naik dari 20 % menjadi 45 %.
Kekakuan naik dari sekitar 1 menjadi sekitar 30 megapascal pada rentang yang sama.
Difusivitas hampir konstan, sekitar 1,5 × 10⁻¹⁰ m²/s.
Nilai-nilainya sesuai dengan sedikit pengukuran yang sudah ada pada gel serupa.

Buku teks keliru

Resolusi yang tinggi memungkinkan tim menguji rumus-rumus klasik, yang mengandaikan jaringan polimer ideal dan seragam. Rumus-rumus itu tidak berlaku: tren yang terukur jauh lebih curam daripada yang diprediksi. Kemungkinan penyebabnya adalah gel sungguhan tidak merata, dengan pori besar dan kecil. Ketika gel mengering, pori-pori besar runtuh lebih dulu, sehingga gel menjadi jauh kurang permeabel dan jauh lebih kaku daripada jaringan ideal.

Alat untuk gel sungguhan

Metode ini hanya membutuhkan volume pikoliter, bukan mikroliter, mengukur satu sampel pada banyak kadar air, dan menghasilkan ribuan titik data per eksperimen alih-alih satu. Para penulis berencana memperluasnya ke potongan gel curah — termasuk bahan biologis —, larutan polimer, dan padatan berpori, serta menyerukan teori baru tentang bagaimana air bergerak melalui gel sungguhan.