Peraih Penghargaan Nobel 2016 bidang Kimia: Sebuah mobil 4WD berukuran 10.000 kali lebih kecil dari rambut Anda!

Menurut saya, Penghargaan Nobel 2016 bidang kimia adalah yang paling keren tahun ini. Bagaimana tidak?! Tiga ilmuwan peraihnya berkontribusi terhadap ditemukannya teknologi untuk membuat mobil four wheel drive berskala nanometer. Ya nanometer! Sebuah skala yang jika Anda ingin membayangkannya, maka bagilah satu milimeter menjadi 1.000.000 bagian, itulah satu nano meter! Bisa jadi itu sekitar 10.000 bagian dari satu helai rambut.

Penghargaan ini diumumkan sepekan yang lalu pada 5 Oktober 2016, oleh Professor Göran K. Hansson, Secretary General dari Royal Swedish Academy of Sciences. Ketiga ilmuwan peraih Nobel tersebut adalah Jean-Pierre Sauvage dari University of Strasbourg, Perancis, Sir J. Fraser Stoddart dari Northwestern University Amerika Serikat, serta Bernard L. Feringa dari University of Groningen Belanda. Mereka bertiga berhak atas medali Nobel serta uang tunai senilai 8 juta Swedia Krona atau senilai hampir 12 Miliar Rupiah, atas tema “desain dan sintetis mesin molekular.”

Semua berawal dari seorang fisikawan peraih Nobel tahun 1965,  Richard Feynman, yang memprediksi sekaligus menantang para ilmuwan untuk membuat mesin paling kecil di dunia. Ia sangat yakin bahwa membuat mesin dengan dimensi nanometer adalah sesuatu yang mungkin. Feynman pun memberi contoh bahwa di alam semesta sudah ada mesin semacam ini. Bakteri flagella misalnya, seekor makromolekul berbentuk seperti kotrek, sebuah alat pembuka penyumbat botol berbentuk melilit. Bakteri ini menggunakan bentuk tubuhnya untuk maju dengan jalan memutar-mutar badannya. Namun tangan dingin manusia, yang berukuran jauh lebih raksasa dari skala nano, mungkinkah membuat mesin semacam ini?

Jawaban dari tantangan Feynman diawali dengan sebuah penelitian kimia yang dilakukan oleh Jean-Pierre Sauvage pada tahun 1983 berhasil membuat sebuah ikatan atom jenis baru. Ikatan molekul antar atom selama ini kita ketahui terjadi karena dua hal: yang pertama adalah adanya pertukaran elektron sehingga satu atom bermuatan positif dan yang lainnya bermuatan negatif sehingga keduanya saling berikatan karena berbeda muatan (disebut sebagai ikatan ion); atau sebuah ikatan kovalen yang terjadi karena dua atau lebih atom saling menggunakan elektron yang sama untuk mengejar kestabilan molekul.

Apa yang dibuat oleh Sauvage sungguh berbeda dengan kedua jenis ikatan kima tersebut. Ia justru membuat jenis ikatan baru berbentuk rantai, stabil, dan revolusioner. Menggunakan model fotokimia kompleks, ia dan timnya membangun sebuah molekul berbentuk cincin dan satu lagi berbentuk sabit. Mereka disatukan dengan bantuan sebuah ion tembaga sehingga menyusun bentuk seperti pada gambar di bawah ini. Ion tembaga berfungsi untuk memberikan ikatan kohesi agar kedua molekul tersebut saling berikatan. Langkah selanjutnya yang dilakukan tim adalah menggunakan cara kimia untuk menggabungkan molekul belahan sabit, dengan belahan sabit yang lain sehingga terbentuk cincin yang lain. Langkah terakhir dari tahapan ini adalah melepaskan ion tembaga dari tengah-tengah rantai karena keberadaannya sudah tidak dibutuhkan lagi. Apa yang dilakukan oleh Sauvage dan timnya ini bukanlah sia-sia, karena hanya dengan cara inilah sebuah chassis rangka mobil nano bisa dibangun.

 photo F32F4C36-EBA9-40A6-A0D5-9F394DE1155C.jpeg

Komponen penting lain dari sebuah mesin berputar adalah keberadaan poros dan bearing (bantalan). Pada proses pengembangan mesin nano, apa yang diteliti oleh Sir J. Fraser Stoddart menjadi tonggak pembuatan poros dan bearing mesin. Di tahun 1991 ia beserta tim peneliti membuat dua bentuk molekul berbeda, pertama adalah molekul berbentuk cincin dengan jumlah elektron yang kurang, serta yang kedua adalah molekul panjang dengan struktur kaya elektron di dua titik. Saat kedua molekul tersebut bertemu di dalam larutan, molekul cincin dengan sedikit elektron akan tertarik ke molekul panjang berelektron banyak, sehingga molekul cincin akan melingkari molekul panjang. Langkah selanjutnya yang dilakukan oleh tim peneliti adalah menutup rangkaian molekul cincin sehingga molekul tersebut berbentuk melingkar penuh. Dengan desain demikian, maka molekul lingkaran telah tergabung utuh dengan molekul poros. Rangkaian ini disebut dengan rangkaian rotaxane, sebuah rangkaian molekul berbentuk cincin yang terangkai secara mekanis ke molekul poros.

 photo 09F03F26-5828-4232-AE40-420627E89F0D.jpeg

Apa yang perlu dilakukan oleh Stoddart selanjutnya adalah bagaimana membuat molekul cincin memiliki pergerakan bebas terhadap molekul poros. Awalnya ia hanya memberikan energi panas ke rangkaian tersebut, hal ini membuat molekul cincin bergerak melompat maju dan mundur di antara dua titik molekul poros yang kaya elektron. Namun di tahun 1994, Stoddart telah mampu mengontrol pergerakan ini sehingga molekul cincin tidak lagi bergerak secara acak. Konsep inilah yang selanjutnya berperan sebagai poros dan bantalan mesin nano.

Normalnya, sebuah molekul dapat berputar ke arah kanan atau ke kiri, namun dalam jumlah putaran yang seimbang dengan arah sebaliknya yakni ke kiri atau ke kanan. Sehingga jika konsep putaran molekul ini digunakan sebagai prinsip motor molekular, diperlukan trik-trik khusus. Inilah yang berusaha dimodifikasi oleh Ben Feringa pada tahun 1999 saat ia untuk pertama kalinya berhasil membuat motor molekular. Ia menggunakan beberapa trik cerdas untuk membuat molekul motor dapat berputar hanya ke satu arah saja.

 photo D4180555-35A3-4AC4-8660-A1369E5C8924.jpeg

Molekul buatan Feringa disusun dari atom-atom yang tersusun mirip dengan dua sudu rotor kecil, yakni berupa dua struktur kimia datar yang saling berikatan ganda menggunakan dua atom karbon. Sebuah molekul metil terikat pada masing-masing sudu, sehingga komponen ini bekerja seperti roda gigi sejajar yang akan membuat molekul selalu berputar ke satu arah saja. Pada saat sinar ultraviolet mengekspos molekul, salah satu sudu rotor akan berputar 180 derajat terhadap sumbunya. Selanjutnya roda gigi bergerak ke posisi baru. Dengan sinar ultraviolet selanjutnya, sudu yang lain akan berputar ke arah yang sama sebanyak 180 derajat. Begitu seterusnya berputar pada arah yang tetap.

 photo F1307995-8F30-401D-BF7E-9E91585FF2E6.jpeg

Itulah motor molekular pertama yang akan menjadi cikal bakal mesin mobil nano. Pada saat itu kecepatan putaran motor belum terlalu cepat. Feringa baru bisa menciptakan mesin nano berkecepatan mencapai 12 juta putaran per detik pada tahun 2011. Meskipun begitu pada tahun 2011 Feringa dan timnya berhasil membuat mobil nano 4WD pertama di dunia, yang menjadikan para ilmuwan dibaliknya berhak atas Penghargaan Nobel tahun ini.

 photo FAD14ADA-DB1E-4D67-8A8B-7E489FF29D99.gif

Credit: Nobel Prize: How Molecules Become Machines

Post Author: Onny

"Science is the highest Art in the universe."

Leave a Reply