BESSY II: Orbital Molekuler Menentukan Stabilitas

Bessy II adalah sebuah sinar sinar-X sinkrotron di Berlin, Jerman. Ini adalah fasilitas penelitian yang digunakan untuk menghasilkan sinar-X berkualitas tinggi untuk berbagai penelitian dalam bidang fisika, kimia, biologi, dan ilmu material. Sinar-X sinkrotron seperti Bessy II memungkinkan para ilmuwan untuk menyelidiki struktur dan sifat material dengan resolusi tinggi, membuka jalan untuk pemahaman yang lebih baik tentang materi dan fenomena alam.

Dianion dari asam karboksilat seperti fumarat, maleat, dan suksinat memiliki peran penting dalam berbagai bidang, termasuk kimia koordinasi dan biokimia. Tim peneliti di BESSY II telah melakukan analisis mendalam tentang struktur elektronik dari molekul-molekul ini menggunakan teknik baru yang disebut RIXS, yang membantu kita memahami bagaimana molekul-molekul ini tersusun secara elektronik. Hasil penelitian mereka memberikan wawasan baru tentang stabilitas relatif dari molekul-molekul ini, yang berpotensi memengaruhi pilihan industri dalam menggunakan dianion-dianion karboksilat untuk membuat bahan-bahan yang lebih tahan lama dan efisien.

Dalam dunia kimia, fumarat, maleat, dan suksinat adalah contoh dari dianion karboksilat yang memiliki berbagai bentuk dan sifat yang berbeda. Beberapa dari mereka sangat penting dalam kimia koordinasi, di mana mereka dapat membantu menghubungkan unsur-unsur logam ke dalam senyawa-senyawa organik kompleks. Sementara itu, varian lainnya juga memainkan peran penting dalam proses biologis, termasuk sebagai produk intermediate dalam proses metabolisme sel di tubuh manusia.

Misalnya, fumarat dan suksinat terbentuk sebagai bagian dari jalur metabolisme di dalam mitokondria sel-sel kita. Di sisi lain, maleat, yang biasanya tidak dihasilkan secara alami oleh tubuh, digunakan dalam industri untuk membuat bahan-bahan yang tahan lama dan kuat. Namun, pertanyaan penting muncul mengenai seberapa tahan lama senyawa-senyawa ini dalam lingkungan alami, apakah mereka akan terdegradasi atau bertahan dalam jangka waktu yang lama.

Penelitian terbaru menunjukkan bahwa stabilitas dari fumarat, maleat, dan suksinat tidak hanya ditentukan oleh bentuk geometris mereka, tetapi juga oleh struktur elektronik molekul-molekul ini. Istilah seperti orbital molekul tertinggi yang diisi (HOMO) dan orbital molekul yang tak terisi paling rendah (LUMO) adalah konsep-konsep yang digunakan dalam kimia untuk menjelaskan cara molekul-molekul ini berinteraksi satu sama lain. Penelitian lebih lanjut mengenai pengaruh orbital-orbital ini terhadap stabilitas molekul-molekul tersebut masih diperlukan untuk pemahaman yang lebih mendalam tentang sifat-sifat kimia mereka.

RIXS dan XAS di BESSY II

Di BESSY II, sebuah fasilitas penelitian di Berlin, Jerman, terdapat dua teknik yang digunakan untuk memahami materi secara mendalam menggunakan sinar-X: RIXS (Resonant Inelastic X-ray Scattering) dan XAS (X-ray Absorption Spectroscopy).

1. Teknik RIXS: Teknik ini membantu ilmuwan mempelajari bagaimana elektron-elektron dalam materi berinteraksi menggunakan sinar-X. Dengan menggunakan RIXS, mereka bisa melihat bagaimana elektron-elektron ini bergerak dan berubah energi saat terkena sinar-X. Teknik ini sering digunakan untuk mengeksplorasi struktur elektronik dan sifat magnetik dalam berbagai bahan.
2. Teknik XAS: XAS memungkinkan para peneliti untuk menyelidiki ikatan kimia dan struktur atom dalam materi dengan menganalisis bagaimana materi menyerap sinar-X pada berbagai energi. Dengan memahami bagaimana materi menyerap sinar-X, mereka dapat mengetahui tentang keadaan energi elektron dalam sampel, yang dapat memberikan wawasan tentang sifat-sifat kimia dan fisika dari bahan tersebut.

Baik RIXS maupun XAS digunakan di BESSY II untuk membantu ilmuwan memahami lebih baik tentang sifat-sifat material, yang dapat membuka jalan untuk inovasi dan pengembangan teknologi baru.

Sebuah tim peneliti di HZB yang dipimpin oleh Prof. Alexander Föhlisch telah berhasil menjelaskan bagaimana struktur elektronik memengaruhi kestabilan senyawa-senyawa dianion fumarat, maleat, dan suksinat.

Tim penelti melakukan analisis terhadap senyawa-senyawa ini di BESSY II menggunakan dua metode yang berbeda namun sangat efektif.

Teknik spektroskopi serapan sinar-X (XAS) memungkinkan kita untuk mempelajari keadaan energi dari elektron-elektron yang tidak terisi dalam suatu sistem, sedangkan teknik resonant inelastic X-ray scattering (RIXS) memberikan informasi tentang orbital tertinggi yang diisi serta interaksi antara orbital HOMO-LUMO.

Temuan dari penelitian ini dapat dikaitkan dengan sifat-sifat makroskopis dari senyawa-senyawa tersebut, khususnya dalam hal kestabilannya.

Maleat berpotensi kurang stabil

Setelah menganalisis data spektral, terungkap bahwa maleat kemungkinan memiliki tingkat kestabilan yang lebih rendah dibandingkan dengan fumarat dan suksinat.

Lebih lanjut, penelitian juga memberikan penjelasan mengenai hal ini: Kepadatan elektronik di orbital HOMO pada ikatan C=C antara gugus karboksilat dapat menyebabkan ikatan yang lebih lemah antara molekul maleat dengan molekul atau ion lainnya.

Sebaliknya, fumarat dan suksinat memiliki kemungkinan kestabilan yang lebih tinggi karena orbital HOMO mereka memiliki distribusi elektron yang sama.

Dengan demikian, ada potensi bahwa maleat dapat terdegradasi oleh beberapa jenis zat kimia.

Referensi :

[1] Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie. “BESSY II: Molecular orbitals determine stability.” ScienceDaily. www.sciencedaily.com/releases/2024/02/240207120406.htm, diakses pada 20 Februari 2024

[2] Viktoriia Savchenko, Sebastian Eckert, Mattis Fondell, Rolf Mitzner, Vincius Vaz da Cruz, Alexander Föhlisch. Electronic structure, bonding and stability of fumarate, maleate, and succinate dianions from X-ray spectroscopy. Physical Chemistry Chemical Physics, 2024; 26 (3): 2304 DOI: 10.1039/D3CP04348G