Biasanya, kita menganggap kimia dan fisika sebagai dua dunia yang berbeda: kimia berbicara tentang molekul dan reaksi, sementara fisika berbicara tentang partikel dan energi. Namun, di garis depan sains modern, keduanya bertemu dan saling melengkapi.
Salah satu contoh terbaiknya datang dari riset terbaru yang dipublikasikan oleh Royal Society of Chemistry (RSC) pada tahun 2025. Tim ilmuwan internasional yang dipimpin oleh Fernando Auria-Luna dan Frank W. Foss berhasil mengembangkan sensor fluoresen supramolekuler molekul cerdas yang bisa menangkap ion barium (Ba²⁺) dan bercahaya saat berhasil melakukannya.
Sekilas terdengar seperti eksperimen laboratorium biasa, tapi tujuan akhirnya jauh lebih besar: sensor ini bisa membantu ilmuwan mendeteksi peristiwa fisika langka yang bisa mengubah pemahaman kita tentang asal-usul massa partikel dan keberadaan antimateri.
Baca juga artikel tentang: Bahan Kimia Abadi: Ancaman Senyap dari Udara hingga Darah
Misi Sains: Memburu “Jejak” dari Peluruhan Beta Ganda Tanpa Neutrino
Untuk memahami pentingnya penelitian ini, kita perlu mundur sedikit ke dunia fisika partikel. Setiap atom terdiri dari inti (nukleus) yang mengandung proton dan neutron.
Beberapa isotop (versi atom dengan jumlah neutron berbeda) bisa mengalami peluruhan radioaktif, berubah menjadi unsur lain dengan memancarkan partikel.
Nah, ada satu jenis peluruhan yang sangat langka dan misterius, disebut peluruhan beta ganda tanpa neutrino (neutrinoless double beta decay). Proses ini melibatkan dua neutron di dalam inti atom yang berubah menjadi dua proton secara bersamaan, melepaskan dua elektron, tapi tanpa mengeluarkan partikel neutrino, yang biasanya selalu ada.
Jika proses ini benar-benar terjadi, itu akan membuktikan bahwa neutrino adalah partikel yang identik dengan antipartikelnya sendiri, dan hal itu bisa menjelaskan mengapa alam semesta kita dipenuhi materi, bukan antimateri.
Masalahnya? Peluruhan ini sangat langka mungkin hanya terjadi sekali dalam waktu jutaan tahun dalam jumlah atom xenon yang besar. Karena itu, para fisikawan mencari cara untuk menangkap setiap jejak kecil yang ditinggalkan, dan salah satu tanda khasnya adalah terbentuknya ion barium (Ba²⁺) dari hasil peluruhan isotop xenon-136 (Xe-136).
Di sinilah kimia supramolekuler masuk membantu.
Kimia Supramolekuler: Sains Tentang “Molekul yang Bisa Merasakan”
Berbeda dari kimia konvensional yang berfokus pada pembentukan ikatan antar-atom, kimia supramolekuler mempelajari bagaimana molekul saling mengenali dan berinteraksi tanpa benar-benar “menyatu”.
Bayangkan seperti permainan puzzle, molekul dirancang agar bentuk dan muatannya cocok dengan “target” tertentu, sehingga bisa menempel dengan selektif. Dalam konteks riset ini, targetnya adalah ion barium (Ba²⁺), dan “puzzle” yang diciptakan adalah molekul sensor bercahaya yang bisa menangkapnya.
Para peneliti merancang dua jenis sensor:
- Monocolor Fluorescent Indicators (FMIs) – yang menyala dengan satu warna saat berinteraksi dengan barium.
- Bicolor Fluorescent Indicators (FBIs) – yang bisa berubah warna saat menangkap barium, memudahkan pengamatan visual.
Bagaimana Sensor Ini Bekerja?
Sensor ini dirancang menggunakan crown ether units cincin molekul yang punya “ruang kosong” tepat pas untuk menjerat ion logam seperti barium. Selain itu, struktur molekulnya dilengkapi dengan:
- Spasi alifatik (alkil spacer) dengan panjang berbeda untuk mengontrol jarak antarbagian molekul,
- Fluorofor (komponen yang menghasilkan cahaya),
- Dan silan linker yang memungkinkan sensor melekat pada permukaan padat seperti indium tin oxide (ITO), bahan yang biasa digunakan pada sensor transparan dan layar sentuh.
Ketika ion barium hadir, ia akan “terjebak” dalam struktur crown ether. Proses ini mengubah distribusi elektron di dalam molekul dan menyebabkan fluoresensi, cahaya khas yang bisa dideteksi mikroskop atau spektrometer. Bahkan, beberapa sensor dapat mengubah warna cahayanya (misalnya dari biru ke hijau), menjadi semacam “lampu indikator” kimia atomik.
Dari Larutan ke Permukaan Padat: Tantangan Besar Kimia Terapan
Menariknya, tim peneliti tidak hanya menguji sensor dalam larutan (fase cair), tetapi juga di antarmuka padat–gas, karena percobaan fisika neutrino biasanya dilakukan di ruang vakum atau gas xenon murni.
Namun, transisi dari cair ke padat bukan hal mudah. Sensor yang bekerja dengan baik di larutan sering kehilangan sensitivitas ketika dipasang di permukaan padat seperti kaca atau oksida logam. Hal ini karena interaksi elektron dan cahaya menjadi lebih kompleks di lingkungan tersebut.
Hasil penelitian menunjukkan bahwa kinerja sensor menurun sedikit di permukaan padat, intensitas cahayanya lebih lemah tetapi selektivitasnya terhadap ion barium tetap tinggi. Artinya, sensor ini masih mampu membedakan ion barium dari ion lain seperti natrium atau kalsium, yang jumlahnya bisa jauh lebih banyak di sekitar.
Performa Cemerlang di Level Atom
Versi bicolor sensor (FBI) menunjukkan performa paling menjanjikan. Dalam pengamatan mikroskop konfokal, molekul-molekul FBI yang menempel di permukaan ITO menunjukkan perubahan spektrum emisi yang jelas saat menangkap ion Ba²⁺. Efek ini bisa diamati secara langsung pada tingkat molekul tunggal.
Dengan kata lain, para ilmuwan kini memiliki “mata molekuler” yang dapat melihat kehadiran satu atom barium kemampuan luar biasa yang membuka jalan bagi teknologi sensor masa depan, baik untuk riset fundamental maupun aplikasi praktis.
Implikasi Besar: Dari Kimia ke Kosmologi
Penerapan utama dari sensor ini adalah untuk membantu eksperimen fisika partikel yang meneliti peluruhan beta ganda xenon-136. Dengan kemampuan untuk menangkap dan mengidentifikasi ion barium secara akurat, eksperimen semacam nEXO (Next-Generation Enriched Xenon Observatory) dapat meningkatkan sensitivitas deteksi hingga seribu kali lipat.
Jika peluruhan tanpa neutrino benar-benar terdeteksi, itu akan menjadi salah satu penemuan terbesar dalam fisika modern, karena membuktikan bahwa neutrino bisa menjadi partikel Majorana identik dengan antipartikelnya sendiri. Dan semua itu bisa terjadi berkat bantuan molekul cerdas hasil rekayasa kimia.
Riset ini adalah contoh sempurna bagaimana ilmu kimia bisa berperan dalam menjawab pertanyaan kosmologis paling mendasar. Dengan menggabungkan prinsip kimia supramolekuler, fotokimia, dan rekayasa permukaan, para ilmuwan berhasil menciptakan sistem yang dapat menangkap atom tunggal dan “menyala” untuk memberi tahu kita bahwa ia ada.
Dari perspektif teknologi, sensor ini membuka peluang besar di bidang:
- Deteksi partikel langka,
- Sensor ion logam untuk lingkungan atau biologi,
- Dan pengembangan material cerdas berbasis fluoresensi.
Pada akhirnya, penelitian ini mengingatkan kita bahwa perjalanan memahami alam semesta tidak hanya terjadi di teleskop atau akselerator partikel, tetapi juga di tabung reaksi dan molekul-molekul kecil yang diciptakan oleh para ahli kimia.
Baca juga artikel tentang: Revolusi Pengembangan Obat dengan Kimia Klik: Metode Inovatif yang Menyederhanakan Sintesis Molekul Kompleks
REFERENSI:
Auria-Luna, Fernando dkk. 2025. Supramolecular chemistry in solution and solid–gas interfaces: synthesis and photophysical properties of monocolor and bicolor fluorescent sensors for barium tagging in neutrinoless double beta decay†. RSC Applied Interfaces, 2(1), 185–199.
