Pertama Di Dunia: Visualisasi Perubahan Dalam Reaksi Kimia.

Sebuah terobosan mengagumkan datang lagi dari Lawrence Berkeley Lab, USA. Untuk pertama kalinya, peneliti bisa mengamati secara visual, bukti terjadinya reaksi kimia sekaligus ikatan kimia yang terbentuk, dalam citra 2 dimensi. Ini benar-benar hal baru dalam ilmu kimia dan fisika.

Hingga saat ini ilmuwan hanya mampu memahami struktur molekul. Menggunakan Atomic Force Microscopy (AFM), ikatan antar atom yang panjangnya hanya sepersemiliar millimeter, menghubungkan 26 karbon dan 14 atom hidrogen pada sebuah molekul bisa benar-benar terlihat nyata. Hasil temuan ini dipublikasikan pada majalah Science edisi 30 May 2013.

   

Tim tersebut pada awalnya ingin mengatur susunan nanostruktur graphene dengan presisi tinggi, sebuah material lapis tunggal di mana atom-atom karbon tersusun secara berulang dengan pola heksagonal. Membuat sususan karbon seperti sarang lebah membutuhkan penyusunan atom-atom dari rantai lurus menjadi bentuk bersegi enam; reaksi yang biasanya juga akan menghasilkan beberapa molekul berbeda. Felix Fischer dan koleganya ingin memvisualisasikan molekul-molekul tersebut untuk memastikan bahwa yang telah mereka laukukan adalah benar. 

Untuk mendokumentasikan susunan grapheme, Fischer membutuhkan sebuah peralatan pencitraan yang powerful, yang kemudian menuntunnya pada AFM di lab milik Michael Crommie’s UC Berkeley lab. Non-contact AFM menggunakan ujung pemindai yang sangat tajam dan halus untuk membaca gaya listrik yang dihasilkan oleh permukaan molekul, karena tip bergerak dekat sekali dengan permukaan molekul , tip terebut akan dipantulkan oleh perbedaan muatan, mengahasilkan sebuah gambar tentang bagaimana atom-atom dan ikatan tersususn.

Skema peralatan AFM
(http://www.vub.ac.be/META/toestellen_AFMSTM.php?m=xpand)

Secara sederhana, AFM merupakan alat untuk menggambarkan kondisi permukaan suatu material padat. Caranya adalah dengan mengerakkan sebuah pemindai sangat halus (disebut tip) melalui suatu bidang permukaan yang ingin dideteksi. Tip akan mengalami gaya kontak akibat berdekatan atau bersentuhan dengan atom-atom dipermukaan lapisan. Gaya ini umunya adalah gaya listrik dari elektron-elektron yang bergerak mengelilingi atom tersebut sehingga menghasilkan tolakan terhadap ujung tip yang mendekati atom. Gaya tolakan yang dialami tip akan mengubah posisi laser yang terhubung dengannya, kemudian diterjemahkan oleh prosessor. Sifat khas dari tip ini ditambah dengan keunikan setiap atom pada permukaan molekul akan menghasilkan citra permukaan berdasarkan terjemahan digital yang dideteksi.

Dalam prakteknya, ada tiga mode yang bisa digunakan untuk mengambil citra permukaan dengan AFM yaitu contact mode, non contact mode serta tapping mode. Perbedaan dari ketiganya adalah jarak tip dari permukaan di mana atom-atom berada, yang juga berarti besarnya gaya tarikan/tolakan yang dialami tip. Untuk non-contact mode, gaya yang terjadi antara permukaan dengan tip berada dikisaran  pN (10 ^-12 N).

Hubungan jarak antara tip ke permukaan sampel dan gaya yang dialaminya (http://www.nanoscience.com/education/afm.html)

Ujung tip yang sudah dimodifikasi dengan karbon monoksida . 

(Rep. News center, Berkeley Lab)

Sekarang pertanyaannya kenapa hasil penelitian ini istimewa? Pertama tentu saja karena ide itu sendiri. Mereka berinisiatif untuk membuktikan secara visual apakah reaksi yang sedang mereka jalankan benar-benar terjadi dan apakah produk yang dihasilkan sesuai dengan harapan. Tentu saja ini kewajiban dalam riset sintesis. Mengkarakterisasi produk dengan berbagai instrument kimia sebelum mengambil kesimpulan adalah hal dasar. Tetapi penggunaan AFM untuk hal seperti ini benar-benar tidak pernah terpikirkan sebelumnya. Biasanya AFM hanya digunakan untuk melihat permukaan material besar seperti polimer, komposit, logam-logam. Tidak ada yang berpikir untuk melihat molekul tunggal dengan AFM, apalagi ikatan antar karbonnya. Di sinilah keistimewaan teknik yang mereka gunakan. Untuk mendapatkan bentuk yang jelas dari atom atom dan ikatan antar atom yang mereka cari, Fischer dan timnya menggunakan nanopartikel perak sebagai wadah reaksi sekaligus sensitizer bagi AFM itu sendiri. Di permukaan nanoperak itu mereka melakukan reaksi kimia oligoenedyiene melalui pemanasan, menjebak molekul hasil reaksi dengan pendinginan lalu menjejak citra molekul tersebut.

Molekul reaktan dan produknya setelah reaksi melalui pemanasan. Perhatikan bagian ikatan rangkap tiga lebih tebal daripada ikatan tunggal.  (Rep. News center, Berkeley Lab)

Hal unik kedua adalah penggunaan karbon monoksida untuk mendapatkan citra yang lebih kuat. Molekul tunggal CO menempel pada ujung cantilever dengan Oksigen mengarah pada atom, memberikan sensitiftas lebih besar terhadap kebaradaan ikatan kimia. Ikatan tunggal tampak lebih halus dibandingkan ikatan rangkap tiga. Perhatikan bahwa gambar yang dihasilkan benar-benar mirip dengan apa yang tertera di buku pelajaran. Molekul segi enam, ikatan tunggal dan ikatan rangkap ditampilkan dengan sempurna. 

Teknik ini bisa jadi jauh lebih sederhana daripada kamera femto yang dikembangkan oleh Ahmed Zewail (hadian nobel kimia 1998).  

Related Links: 
Press release Berkeley lab
Publikasi hasil penelitian Fischer dan timnya