Gambar : Perangkat buatan tim University of Cambridge, menggabungkan nanokristal semikonduktor kecil yang disebut quantum dots dan nanopartikel emas menggunakan lem molekuler yang disebut cucurbituril (CB). Ketika ditambahkan ke air dengan molekul yang akan dipelajari, komponen-komponen merakit dirinya sendiri dalam hitungan detik menjadi alat yang kuat dan stabil, yang mungkinkan monitoring real-time dari reaksi kimia. Credit: University Of Cambridge
Para ilmuan dari University Of Cambridge telah berhasil membuat kamera kecil yang disatukan dengan ‘lem molekuler’. Kamera ini memungkinkan para ilmuwan untuk dapat mengamati reaksi kimia secara real–time. Para ilmuwan tersebut bahkan telah mendapatkan pandangan sekilas yang belum pernah terjadi sebelumnya pada reaksi kimia secara real-time berkat “kamera” berukuran molekul tersebut.
Perangkat ini menggabungkan nanokristal semikonduktor kecil yang disebut quantum dots dan nanopartikel emas menggunakan lem molekul yang disebut cucurbituril (CB). Ketika ditambahkan ke air dengan molekul yang akan dipelajari, komponen-komponen tersebut akan merakit diri sendiri dalam hitungan detik menjadi alat yang stabil dan kuat yang memungkinkan pemantauan reaksi kimia secara real-time.
Kamera bekerja dengan mengumpulkan cahaya di dalam semikonduktor, mendorong terjadinya transfer elektron seperti yang terjadi dalam fotosintesis, yang dapat dipantau menggunakan sensor nanopartikel emas dan teknik spektroskopi. Mereka mampu menggunakan kamera untuk mengamati spesies kimia yang sebelumnya telah diteorikan tetapi tidak diamati secara langsung.
Platform ini dapat digunakan untuk mempelajari berbagai molekul untuk berbagai aplikasi potensial, seperti peningkatan fotokatalisis dan fotovoltaik untuk energi terbarukan. Hasilnya telah dilaporkan dalam jurnal Nature Nanotechnology.
Alam mengontrol kumpulan struktur kompleks pada skala molekul melalui proses yang terbatas. Namun, meniru proses ini di lab biasanya memakan waktu, mahal, dan bergantung pada prosedur yang rumit.
“Untuk mengembangkan bahan baru dengan sifat unggul, kami sering menggabungkan spesies kimia yang berbeda bersama-sama untuk menghasilkan bahan hibrida yang memiliki sifat yang kami inginkan,” kata Profesor Oren Scherman dari Departemen Kimia Yusuf Hamied Cambridge, yang memimpin penelitian. “Tetapi membuat struktur nano hibrida ini sulit, dan Anda sering berakhir dengan pertumbuhan yang tidak terkendali atau bahan yang tidak stabil.”
Metode baru yang dikembangkan Scherman dan rekan-rekannya dari Cambridge’s Cavendish Laboratory dan University College London menggunakan cucurbituril – lem molekul yang berinteraksi kuat dengan quantum dots semikonduktor dan nanopartikel emas. Para peneliti menggunakan nanokristal semikonduktor kecil untuk mengontrol perakitan nanopartikel yang lebih besar melalui proses yang mereka ciptakan agregasi self-limiting antarmuka. Proses ini mengarah pada bahan hibrida yang permeabel dan stabil yang berinteraksi dengan cahaya. Kamera digunakan untuk mengamati fotokatalisis dan melacak transfer elektron yang diinduksi cahaya.
“Kami terkejut betapa hebatnya alat baru ini, mengingat betapa mudah merakitnya,” kata penulis pertama Dr Kamil Sokołowski, juga dari Departemen Kimia.
Untuk membuat kamera nano mereka, tim menambahkan komponen individu, bersama dengan molekul yang ingin mereka amati ke air pada suhu kamar. Sebelumnya, ketika nanopartikel emas dicampur dengan lem molekul tanpa adanya titik kuantum, komponen mengalami agregasi tak terbatas dan keluar dari larutan. Namun, dengan strategi yang dikembangkan oleh para peneliti, titik-titik kuantum memediasi perakitan struktur nano ini sehingga hibrida semikonduktor-logam mengontrol dan membatasi ukuran dan bentuknya sendiri. Selain itu, struktur ini tetap stabil selama berminggu-minggu.
“Properti yang membatasi diri ini mengejutkan, bukan apa yang kami harapkan untuk dilihat,” kata rekan penulis Dr Jade McCune, juga dari Departemen Kimia. “Kami menemukan bahwa agregasi satu komponen nanopartikel dapat dikontrol melalui penambahan komponen nanopartikel lain.”
Ketika para peneliti mencampur komponen bersama-sama, tim menggunakan spektroskopi untuk mengamati reaksi kimia secara real time. Dengan menggunakan kamera, mereka dapat mengamati pembentukan spesies radikal – molekul dengan elektron tidak berpasangan – dan produk perakitannya seperti spesies viologen dimer sigma, di mana dua radikal membentuk ikatan karbon-karbon yang dapat dibalik. Spesies terakhir telah diteorikan tetapi tidak pernah diamati.
“Orang-orang telah menghabiskan seluruh karier mereka untuk mengumpulkan potongan-potongan materi agar bersatu dengan cara yang terkendali,” kata Scherman, yang juga Direktur Laboratorium Melville. “Platform ini akan membuka berbagai proses, termasuk banyak bahan dan kimia yang penting untuk teknologi berkelanjutan. Potensi penuh semikonduktor dan nanokristal plasmonik sekarang dapat dieksplorasi, memberikan kesempatan untuk secara bersamaan menginduksi dan mengamati reaksi fotokimia.”
“Platform ini adalah kotak peralatan yang sangat besar mengingat jumlah blok bangunan logam dan semikonduktor yang sekarang dapat digabungkan bersama menggunakan bahan kimia ini – ini membuka banyak kemungkinan baru untuk pencitraan reaksi kimia dan penginderaan melalui pengambilan snapshot dari sistem kimia yang dipantau,” kata Sokołowski. “Kesederhanaan pengaturan berarti bahwa para peneliti tidak lagi membutuhkan metode yang rumit dan mahal untuk mendapatkan hasil yang sama.”
Para peneliti dari laboratorium Scherman saat ini sedang bekerja untuk mengembangkan lebih lanjut hibrida ini menuju sistem fotosintesis buatan dan (foto)katalisis di mana proses transfer elektron dapat diamati secara langsung secara real–time. Tim juga melihat mekanisme pembentukan ikatan karbon-karbon serta antarmuka elektroda untuk aplikasi baterai.
Penelitian ini dilakukan bekerja sama dengan Profesor Jeremy Baumberg di Laboratorium Cavendish Cambridge dan Dr Edina Rosta di University College London. Itu sebagian didanai oleh Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC).
Referensi
[1] https://futurism.com/the-byte/molecule-sized-camera-watch-chemical-reactions-in-real-time diakses pada 04 September 2021
[2] https://www.eurekalert.org/news-releases/927245 diakses pada 04 September 2021