Bayangkan sebuah pintu yang lebarnya hanya beberapa atom. Pintu tersebut bisa menutup, terbuka kembali, lalu menutup lagi tanpa motor, roda gigi, atau komponen mekanik seperti yang kita kenal sehari hari. Lebih mengejutkan lagi, proses membuka dan menutup itu muncul dari reaksi kimia yang berlangsung di sebuah lubang berukuran sangat kecil.
Teknologi semacam inilah yang dikembangkan Makusu Tsutsui dan rekan rekannya dalam penelitian berjudul “Chemistry-driven autonomous nanopore membranes” yang diterbitkan di Nature Communications pada 18 Februari 2026. Sehari kemudian, The University of Osaka menjelaskan hasil penelitian tersebut melalui ScienceDaily dengan gambaran yang menarik: para ilmuwan sedang mendekati kemampuan membuat “gerbang” buatan yang dimensinya bersaing dengan kanal ion biologis, yakni saluran alami yang bekerja pada skala atom di dalam tubuh makhluk hidup.
Bukan sekadar membuat lubang semakin kecil, penelitian ini memperkenalkan cara berbeda untuk mengontrol dunia nano. Para ilmuwan menggunakan kimia untuk menciptakan, menutup, dan membentuk kembali jalur yang ukurannya mendekati skala subnanometer. Satu nanometer sama dengan sepersemiliar meter, sedangkan subnanometer berarti ukurannya bahkan lebih kecil dari satu nanometer. Pada skala ini, kita sudah berbicara tentang jarak yang hanya beberapa kali ukuran atom.
Belajar dari Gerbang Listrik di Dalam Tubuh
Tubuh manusia sebenarnya sudah memiliki teknologi nano yang jauh lebih canggih daripada sebagian besar mesin buatan manusia. Di membran sel terdapat protein khusus yang disebut kanal ion. Kanal ini menjadi jalur bagi partikel bermuatan listrik untuk keluar atau masuk dari sel. Ion merupakan atom atau molekul yang memiliki muatan listrik. Contohnya adalah ion natrium, kalium, kalsium, dan klorida. Walaupun ukurannya sangat kecil, perpindahan ion memainkan peran besar dalam tubuh kita.
Di dalam sel saraf, misalnya, perubahan aliran ion membantu menghasilkan sinyal listrik. Sinyal tersebut memungkinkan informasi bergerak sepanjang sistem saraf. ScienceDaily menjelaskan bahwa perpindahan ion melalui kanal biologis ikut mendukung pembentukan impuls saraf yang antara lain berkaitan dengan kontraksi otot. Kanal ion juga tidak selalu terbuka. Struktur protein dapat berubah bentuk ketika menerima rangsangan tertentu sehingga kanal membuka atau menutup. Mekanisme ini disebut gating. Secara sederhana, gating berarti pengaturan kapan sebuah kanal mengizinkan ion lewat dan kapan jalur tersebut ditutup. Bagian tersempit beberapa kanal ion hanya berukuran beberapa ångström. Satu ångström adalah sepersepuluh nanometer. Artinya, lebar jalur tersebut dapat mendekati ukuran beberapa atom saja. Struktur yang sangat sempit itu memungkinkan kanal biologis menyeleksi ion yang dapat melewatinya. Meniru kemampuan tersebut dengan material buatan ternyata sangat sulit. Teknologi fabrikasi modern memang mampu menciptakan struktur berukuran nanometer, tetapi membuat lubang dengan ukuran mendekati atom secara presisi, berulang, dan konsisten masih menjadi tantangan besar dalam nanoteknologi.
Nanopori Diubah Menjadi Reaktor Sangat Kecil
Tim peneliti memilih pendekatan yang tidak biasa. Tim tidak langsung mencoba mengebor lubang permanen selebar beberapa atom. Sebaliknya, tim terlebih dahulu membuat nanopori yang lebih besar di dalam membran silicon nitride atau SiNx. Silicon nitride merupakan material keramik yang banyak digunakan dalam teknologi mikro dan nano karena kuat, stabil, dan dapat dibuat menjadi lapisan yang sangat tipis. Dalam penelitian ini, membran yang digunakan umumnya memiliki ketebalan sekitar 30 nanometer. Nanopori awal kemudian dimanfaatkan sebagai nanoreactor. Nanoreactor berarti ruang reaksi kimia yang ukurannya berada pada skala nanometer.
Kedua sisi membran diisi dengan larutan yang berbeda. Dalam salah satu eksperimen utama, salah satu sisi mengandung manganese chloride atau MnCl2, sedangkan sisi lainnya mengandung phosphate-buffered saline atau PBS. Ketika tegangan listrik diberikan melintasi membran, ion bergerak menuju nanopori. Ion mangan kemudian bertemu dengan komponen fosfat sehingga terbentuk endapan manganese phosphate di dalam lubang tersebut. Proses terbentuknya zat padat dari bahan yang awalnya berada dalam larutan disebut presipitasi. Kita bisa membayangkannya seperti kerak mineral yang perlahan terbentuk dan menumpuk, tetapi dalam eksperimen ini semuanya berlangsung di ruang yang ukurannya hanya puluhan nanometer. Endapan tersebut terus tumbuh sampai akhirnya menutup nanopori. Ketika jalur tertutup, ion hampir tidak dapat melewati membran sehingga arus listrik turun sangat rendah.
Tegangan Listrik Menjadi Sakelar Kimia
Menariknya, para peneliti dapat mengendalikan proses tersebut menggunakan arah tegangan listrik. Ketika tegangan negatif diberikan pada kondisi tertentu, ion mangan dibawa menuju bagian dalam pori sehingga reaksi pembentukan manganese phosphate berlangsung dan lubang semakin tertutup. Sebaliknya, ketika arah tegangan dibalik menjadi positif, proses pembentukan endapan berhenti sementara lingkungan yang lebih asam membantu melarutkan manganese phosphate. Pori kemudian kembali terbuka. Dengan kata lain, tegangan listrik tidak bekerja seperti motor yang secara mekanis mendorong pintu. Tegangan mengatur pergerakan ion, kemudian ion tersebut mengubah reaksi kimia di dalam nanopori. Inilah salah satu bagian penting dari penelitian tersebut. Para ilmuwan tidak hanya membuat lubang nano, tetapi membuat sistem yang ukuran lubangnya dapat dikendalikan melalui interaksi antara listrik dan kimia.
Sistem yang dibuat juga menunjukkan ketahanan yang mengesankan dalam eksperimen laboratorium. Nature Communications melaporkan bahwa siklus reaksi dapat berlangsung stabil selama 756 pemindaian tegangan dalam waktu lebih dari 10 jam. ScienceDaily merangkum hasil ini sebagai kemampuan mengulangi proses membuka dan menutup hingga ratusan kali selama beberapa jam.
Pori yang Seolah Bisa Bernapas
Fenomena yang lebih menarik muncul ketika peneliti memberikan tegangan negatif secara terus menerus. Pada awalnya, manganese phosphate menutup nanopori dan aliran ion hampir berhenti. Ketika lubang benar benar tertutup, ion baru tidak dapat lagi mengalir masuk dengan mudah untuk mempertahankan pembentukan endapan. Pada saat yang sama, sebagian lapisan manganese phosphate terus mengalami pelarutan akibat lingkungan kimia di salah satu sisinya. Lapisan itu semakin tipis sampai akhirnya muncul sebuah lubang yang sangat kecil. Begitu lubang terbentuk, ion kembali dapat melewatinya. Arus listrik tiba tiba meningkat dan terlihat sebagai lonjakan atau spike pada alat pengukuran. Namun terbukanya jalur tersebut sekaligus memungkinkan bahan reaksi kembali masuk. Medan listrik yang terkonsentrasi di sekitar lubang kecil membawa ion menuju lokasi tersebut. Presipitasi kemudian kembali berlangsung dan menutup lubang. Setelah tertutup, proses pelarutan kembali mendominasi. Lubang terbentuk lagi. Arus melonjak lagi. Kemudian pori kembali tertutup.
Siklus ini berlangsung secara otomatis sehingga para peneliti menyebut perilakunya sebagai breathing mode atau mode bernapas. Dalam sistem menggunakan MnCl2 dan PBS pada tegangan sekitar minus 1,1 volt, frekuensi karakteristik pembentukan pori berada di sekitar 10 hertz. Artinya, dalam kondisi tersebut, peristiwa pembukaan dapat terjadi kira kira sepuluh kali per detik.
Lonjakan Listrik yang Mirip Aktivitas Kanal Biologis
ScienceDaily menyoroti bahwa pola lonjakan arus tersebut menyerupai sinyal yang dapat ditemukan pada kanal ion biologis. Ketika pori terbuka, ion mengalir dan arus meningkat. Ketika pori tertutup, arus kembali turun. Kesamaan tersebut tidak berarti membran buatan ini sudah sama dengan sel saraf. Kanal biologis tersusun dari protein yang sangat kompleks dan bereaksi terhadap berbagai rangsangan biologis, sementara sistem buatan ini bekerja berdasarkan presipitasi, pelarutan, komposisi larutan, dan tegangan listrik. Namun kemiripan dalam bentuk sinyalnya sangat menarik. Sistem fisik yang relatif sederhana ternyata dapat menghasilkan aktivitas listrik berbentuk spike melalui mekanisme yang mengatur dirinya sendiri.
Nature Communications bahkan menunjukkan bahwa proses ini dapat menghasilkan ribuan pori berskala ångström secara berulang di dalam sebuah nanopori solid state yang lebih besar. Dengan demikian, satu nanopori awal dapat berfungsi seperti sebuah laboratorium mini tempat pori pori jauh lebih kecil terbentuk dan menghilang berkali kali.
Kimia Menentukan Apakah Pori Terbuka atau Tertutup
Perilaku membran tidak hanya dipengaruhi oleh tegangan. Jenis bahan kimia dalam larutan juga sangat menentukan. Ketika magnesium chloride digunakan, keseimbangan reaksi cenderung lebih kuat ke arah pelarutan sehingga endapan sulit menutup nanopori secara sempurna. Sebaliknya, aluminum chloride dapat menghasilkan endapan phosphate yang sulit larut sehingga pori cenderung tetap tertutup.
Manganese chloride berada pada kondisi yang lebih seimbang. Endapan dapat terbentuk, tetapi juga dapat larut kembali. Keseimbangan inilah yang memungkinkan mode bernapas berlangsung. Calcium chloride menghasilkan perilaku lain yang bahkan lebih dramatis. Sistem dapat mengalami periode tenang, kemudian muncul beberapa lonjakan kecil yang berkembang menjadi lonjakan semakin besar hingga terjadi spike raksasa. Setelah itu pori kembali tertutup dan siklus terulang. Dalam eksperimen yang dilaporkan, lonjakan besar tersebut dapat muncul kira kira setiap empat detik. Fenomena ini menunjukkan bahwa mengganti satu jenis ion saja dapat mengubah “kepribadian” seluruh sistem.
pH Bisa Mengatur Ukuran Gerbang Nano
Selain jenis garam, tingkat keasaman larutan juga dapat digunakan untuk mengendalikan pori. pH adalah ukuran yang menunjukkan tingkat keasaman atau kebasaan suatu larutan. Nilai pH rendah berarti larutan lebih asam, sedangkan pH tinggi menunjukkan kondisi lebih basa.
Dalam sistem ini, kondisi lebih asam cenderung mempercepat pelarutan endapan sehingga lubang yang kembali terbentuk dapat menjadi lebih besar. Sebaliknya, kondisi lebih basa cenderung menghasilkan pori yang lebih kecil karena endapan lebih mudah bertahan. Konsentrasi bahan reaksi dan pH sebenarnya saling berhubungan sehingga keduanya bersama sama menentukan ukuran efektif pori dan frekuensi pembentukannya.
ScienceDaily menekankan bahwa dengan mengubah komposisi kimia dan pH, para peneliti dapat mengubah ukuran efektif sekaligus sifat pori ultrakecil. Kemampuan tersebut kemudian memungkinkan ion dengan ukuran efektif berbeda melewati membran secara selektif.
Mengapa Ukuran Ion Bukan Sekadar Diameter Atom?
Pada dunia sehari hari, kita mungkin membayangkan proses penyaringan seperti memasukkan bola ke lubang. Jika diameter bola lebih kecil daripada lubang, bola lewat. Jika lebih besar, bola tertahan. Sedangkan pada skala atom, persoalannya jauh lebih rumit.
Ion yang berada dalam air dikelilingi molekul air yang membentuk hydration shell atau selubung hidrasi. Selubung hidrasi merupakan kumpulan molekul air yang tertarik dan tersusun di sekitar sebuah ion akibat interaksi listrik. Akibatnya, ukuran efektif ion di dalam air dapat jauh lebih besar daripada ukuran ion telanjangnya. Ketika ion harus memasuki pori yang sangat sempit, sebagian molekul air di sekelilingnya mungkin harus dilepaskan. Proses tersebut disebut ion dehydration atau dehidrasi ion. Melepaskan molekul air membutuhkan energi. Karena itu, dua ion yang ukuran atomiknya mirip belum tentu mempunyai kemampuan yang sama untuk melewati nanopori.
Pengukuran dalam penelitian ini menunjukkan ciri konduktansi yang konsisten dengan efek dehidrasi ion dan transportasi melalui saluran yang mendekati ukuran subnanometer. Inilah salah satu petunjuk utama bahwa pori yang terbentuk memang sangat kecil. Namun para peneliti juga berhati hati dalam menarik kesimpulan. Ukuran persis pori terkecil belum dapat diverifikasi secara langsung. Kesimpulan mengenai dimensinya terutama berasal dari pola konduktansi listrik dan perilaku transportasi ion. Nature Communications secara eksplisit menyatakan bahwa ukuran tepat pori belum dapat dipastikan secara langsung meskipun data konsisten dengan saluran yang mendekati skala subnanometer.
Baca juga: Mengendalikan Atom: Strategi Ilmuwan Merancang Partikel Oksida Logam Sempurna
Potensi untuk Membaca DNA
ScienceDaily menempatkan DNA sequencing sebagai salah satu kemungkinan penggunaan teknologi ini di masa depan. DNA sequencing berarti menentukan urutan basa penyusun DNA. Salah satu pendekatan modern menggunakan nanopore sequencing. Molekul DNA dilewatkan melalui lubang sangat kecil, kemudian perubahan arus ion digunakan untuk membaca karakteristik molekul yang sedang melintas. Prinsipnya mirip dengan mengamati lalu lintas melalui sebuah pintu sempit. Ketika tidak ada benda yang melewati pintu, aliran berlangsung normal. Ketika sebuah molekul memasuki pori, sebagian jalur ion terhalang sehingga arus berubah. Jika perubahan arus dapat diukur dengan cukup akurat, informasi mengenai molekul dapat diperoleh.
Pori yang sangat kecil dan dapat dikontrol ukurannya berpotensi meningkatkan kemampuan mempelajari objek pada tingkat molekul tunggal. Namun penelitian ini belum menunjukkan perangkat DNA sequencer baru. DNA sequencing disebut sebagai salah satu arah aplikasi yang mungkin dikembangkan dari kemampuan menghasilkan pori ultrakecil secara terkendali.
Menuju Komputer yang Meniru Cara Kerja Otak
Kemungkinan aplikasi lain adalah neuromorphic computing. Neuromorphic computing merupakan pendekatan komputasi yang mencoba meniru beberapa prinsip kerja jaringan saraf biologis. Alih alih hanya memproses informasi dengan transistor konvensional, para peneliti mencari material dan perangkat yang dapat menghasilkan perilaku menyerupai neuron dan sinaps.
Neuron berkomunikasi melalui perubahan potensial listrik dan perpindahan ion. Salah satu ciri utamanya adalah munculnya spike atau lonjakan aktivitas listrik.
Karena membran nanopori dalam penelitian ini juga mampu menghasilkan lonjakan arus ion secara spontan, pola tersebut menarik untuk dikembangkan sebagai komponen perangkat komputasi yang terinspirasi sistem saraf. ScienceDaily secara khusus menyoroti bahwa spike listrik dari sistem nanopori dapat membantu meniru sebagian perilaku neuron biologis.
Sekali lagi, membran ini bukanlah neuron buatan yang sudah siap menggantikan chip komputer. Penelitian tersebut masih berada pada tahap fundamental. Namun kemampuannya menghasilkan dinamika listrik melalui kimia memberikan kemungkinan baru bagi bidang iontronics, yaitu teknologi yang menggunakan perpindahan ion untuk memproses atau mengendalikan informasi, berbeda dari elektronik konvensional yang terutama mengandalkan aliran elektron.
Laboratorium Mini untuk Mempelajari Dunia Atom
Ilmuwan ingin memahami bagaimana air, ion, dan molekul bergerak ketika ditempatkan dalam ruang yang lebarnya hanya beberapa atom. Kondisi tersebut disebut extreme confinement atau pengurungan ekstrem. Pada ukuran normal, molekul air mempunyai banyak ruang untuk bergerak. Di saluran subnanometer, dinding saluran berada begitu dekat sehingga sifat cairan dapat berubah secara drastis. Interaksi dengan permukaan, muatan listrik, selubung hidrasi, medan listrik, dan ukuran molekul menjadi jauh lebih penting. Masalahnya, mempelajari kondisi tersebut membutuhkan saluran yang luar biasa kecil dan dapat dibuat secara berulang.
Di sinilah pendekatan baru tersebut menjadi penting. Alih alih membutuhkan teknologi fabrikasi yang mampu menggambar setiap lubang pada resolusi atom, ilmuwan menggunakan reaksi kimia yang mengatur dirinya sendiri untuk berkali kali menghasilkan pori berukuran sangat kecil di dalam struktur yang lebih besar. Para peneliti menyebut pendekatan ini sebagai chemically controllable break membrane. Dengan cara tersebut, satu perangkat dapat digunakan untuk mempelajari sangat banyak peristiwa pembentukan pori dan aliran ion, bukan hanya satu struktur yang dibuat sekali.
Nanoreactor dengan Lingkungan yang Tidak Biasa
Kemungkinan lain yang disebut dalam penelitian adalah penggunaan sebagai nanoreactor. Nanoreactor merupakan ruang reaksi kimia yang sangat kecil. Ketika molekul dimasukkan ke ruang berukuran nanometer, kondisi reaksinya dapat berbeda dari reaksi yang berlangsung dalam tabung laboratorium biasa. Bayangkan dua orang berada di lapangan sepak bola dibandingkan dua orang berada di dalam lift. Peluang mereka berinteraksi jelas berbeda karena ruang yang tersedia berubah. Prinsip serupa berlaku pada molekul. Ketika ruang semakin sempit, interaksi antarmolekul dan interaksi molekul dengan dinding menjadi semakin dominan.
ScienceDaily menekankan bahwa kemampuan menciptakan ruang sangat sempit secara terkendali dapat membuka kondisi reaksi yang unik akibat confinement. Nature Communications juga menyebut desain nanoreactor sebagai salah satu kemungkinan aplikasi sistem tersebut.
Belum Menjadi Teknologi Siap Pakai
Walaupun istilah seperti DNA sequencing dan komputer yang menyerupai otak terdengar futuristis, penting untuk melihat penelitian ini secara proporsional. Tim peneliti belum membuat komputer neuromorfik lengkap. Mereka juga belum menunjukkan mesin sequencing DNA baru menggunakan membran tersebut. Penelitian ini terutama memperkenalkan sebuah platform fisik dan kimia baru untuk menghasilkan serta mempelajari saluran ultrakecil. Nilai utama temuannya terletak pada kemampuan membuat pori, menutupnya, lalu membentuknya kembali berulang kali dengan kestabilan tinggi. Tim berhasil menunjukkan proses tersebut selama ratusan siklus dan lebih dari sepuluh jam dalam kondisi eksperimen tertentu. Selain itu, sifat pori dapat diubah melalui komposisi kimia, pH, dan tegangan listrik.
Langkah selanjutnya tentu membutuhkan penelitian lebih jauh mengenai struktur pori sebenarnya, kemampuan kontrol yang lebih presisi, kestabilan jangka panjang, integrasi dengan perangkat elektronik, serta bagaimana sistem tersebut bekerja ketika digunakan untuk molekul biologis yang kompleks.
Kesimpulan
Penelitian yang dilakukan Makusu Tsutsui dan rekan rekannya menunjukkan bahwa dunia nanoteknologi tidak selalu harus mengandalkan kemampuan membuat struktur atom demi atom secara langsung. Kimia dapat membantu melakukan sebagian pekerjaan itu secara otomatis.
Para peneliti membuat nanopori pada membran silicon nitride lalu menjadikannya sebagai reaktor elektrokimia mini. Tegangan listrik mengarahkan ion sehingga metal phosphate dapat terbentuk sebagai endapan dan menutup pori. Ketika kondisi berubah, endapan larut dan lubang kembali terbentuk. Proses tersebut bahkan dapat berlangsung secara otomatis sehingga menghasilkan pola membuka dan menutup yang menyerupai “napas” pada membran nano.
Sistem tersebut mampu menjalani ratusan siklus selama berjam jam, menghasilkan banyak pori ultrakecil di dalam satu nanopori, serta menunjukkan lonjakan arus yang mengingatkan pada aktivitas kanal ion biologis. Ukuran dan sifat pori juga dapat dipengaruhi oleh komposisi larutan serta pH.
Jika teknologi ini terus berkembang, pori yang lebarnya hanya beberapa atom tersebut dapat membantu ilmuwan mempelajari bagaimana ion dan cairan berperilaku dalam ruang ekstrem. Dalam jangka panjang, prinsip yang sama berpotensi berkontribusi pada single molecule sensing, nanopore DNA sequencing, nanoreactor, adaptive iontronics, hingga sistem neuromorphic computing yang mengambil inspirasi dari cara sel saraf menghasilkan sinyal.
Alam sudah menggunakan gerbang seukuran atom selama miliaran tahun di dalam setiap makhluk hidup. Melalui kanal ion, sel dapat menentukan kapan ion boleh masuk, kapan harus berhenti, dan bagaimana sinyal listrik dikirim. Penelitian ini menunjukkan bahwa manusia mulai memiliki cara untuk membangun gerbang buatan yang beroperasi pada skala serupa, bukan dengan menyalin protein biologis secara persis, tetapi dengan menggabungkan material, listrik, dan reaksi kimia.
Di dunia berukuran beberapa atom, sebuah lubang kecil ternyata dapat menjadi pintu menuju pertanyaan yang jauh lebih besar: bagaimana materi bergerak ketika ruang hampir habis, dan teknologi apa yang bisa lahir ketika manusia akhirnya mampu mengendalikan gerbang pada batas terkecil dunia material?
Referensi:
[1] The University of Osaka. “Atom-sized gates could transform DNA sequencing and neuromorphic computing.” ScienceDaily, diakses pada 31 Agustus 2026.
[2] Makusu Tsutsui, Wei-Lun Hsu, Denis Garoli, Ali Douaki, Yuki Komoto, Hirofumi Daiguji, Tomoji Kawai. Chemistry-driven autonomous nanopore membranes. Nature Communications, 2026; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-026-68800-x
