Artikel Kimia Fisika

Katalis Homogen Yang Unik, Terpisah Sendiri Setelah Reaksi

Apa itu katalis homogen ? Bila kita menggunakan larutan asam untuk katalisasi esterifikasi maka larutan tadi tentu saja akan bercampur sempurna dengan senyawa reaktan dan produknya. tSecara umum, katalis homogen adalah senyawa yang memiliki fase sama dengan reaktan ketika reaksi kimia berlangsung. Sebenarnya banyak sekali penggunaan katalis homogen dalam industri, mulai dari yang konvensional, murah meriah semacam katalis asam atau basa hingga senyawa-senyawa organometalik yang mahal. Selektifitas hasil reaksi dan kondisi reaksi yang lembut adalah pertimbangan utama pemilihan katalis homogen.

Persoalan utama yang sering dijumpai dalam industri maupun sintesa kimia menggunakan katalis homogen adalah sulitnya melakukan pemisahan katalis dari produk. Metode yang jamak digunakan adalah destilasi atau mengubah kepolaran dan hal tersebut menyita material maupun energi cukup besar.

Impian para ilmuwan katalis dan industrialis adalah mendapatkan katalis homogen yang memenuhi syarat-syarat ekonomis dan mudah dipisahkan setelah reaksi berlangsung sehingga dapat segera dipakai lagi. Pada bulan Agustus 2003, ilmuwan dari laboratorium nasional Brookhaven, R. Morris dan Vladimir Dioumaev memperlihatkan semacam katalis homogen yang bisa mengendap setelah reaksi hidrosililasi senyawa keton selesai berlangsung. Senyawa kation kompleks tungsten yang memiliki ikatan koordinasi lemah terhadap anion merupakan pemecahan persoalan dalam reaksi tersebut.

Logika prosesnya sebenarnya sederhana yaitu, sebelum terjadi reaksi, katalis dan reaktan benar-benar larut sempurna karena memiliki kepolaran yang sama. Namun, seiring proses berjalan, ternyata produk yang dihasilkan memiliki kepolaran berbeda dan akibatnya adalah terpisahnya katalis dari produk dengan sendirinya. Hal lain yang perlu diperhatikan adalah terbentuknya dua fasa yaitu produk dan katalis yang membentuk material semacam minyak.

Memang teknologi ini belum bisa digeneralisir karena reaksi hidrosililasi keton adalah reaksi yang spesifik dan tidak digunakannya pelarut apapun pada reaksi tersebut. Namun ini benar-benar penemuan baru dan menggembirakan karena terbuka kesempatan melakukan penelitian lebih lanjut, khususnya bidang katalis homogen.

Es “panas” bisa dijadikan peranti medis

Fisikawan di Harvard telah menunjukkan bahwa lapisan-lapisan berlian yang diperlakukan khusus bisa menjaga air membeku pada suhu tubuh, sebuah temuan yang bisa memiliki aplikasi dalam implan-implan medis di masa mendatang.

Mahasiswa Doktor, Alexander Wissner-Gross dan Efthimios Kaxiras, profesor fisika dan Gordon McKay profesor Fisika Terapan, menghabiskan waktu satu tahun untuk membangun dan menguji model-model komputer yang menunjukkan bahwa sebuah lapisan berlian yang dilapisi dengan atom-atom natrium akan menjaga air tetap membeku sampai pada suhu 108 derajat Farenheit.

Dalam bentuk es, molekul-molekul air tertata dalam kerangka kaku yang memberikan karakeristik keras bagi zat tersebut. Proses pelelehan mirip dengan bangunan yang runtuh: bagian-bagian yang telah ditata menjadi struktur kuat bergerak dan mengalir satu sama lain, sehingga menjadi cair.

Model komputer menunjukkan bahwa kapanpun molekul air di dekat permukaan berlian-sodium mulai bergerak, permukaan tersebut menstabilkannya dan merakit ulang struktur kristal es.

Simulasi-simulasi menunjukkan bahwa proses ini bekerja hanya untuk lapisan-lapisan es yang begitu tipis yang lebarnya hanya terdiri dari beberapa molekul - tiga nanometer pada suhu kamar dan dua nanometer pada suhu tubuh. Satu nanometer sama dengan sepermilyar meter.

Lapisan tersebut harus cukup tebal untuk membentuk sebuah perisai yang kompatibel biologis pada permukaan berlian dan untuk membentuk lapisan-lapisan berlian yang lebih bermanfaat dalam peranti-peranti medis, kata Wissner-Gross.

Penelitian ini bukan penelitian pertama yang menunjukkan bahwa air bisa membeku pada suhu tinggi. Ilmuwan di Belanda sebelumnya telah menunjukkan bahwa es bisa terbentuk pada suhu kamar jika ditempatkan diantara ujung tungsten dan permukaan grafit. Penelitian Kaxiras dan Wissner-Gross menunjukkan bahwa es bisa dipertahankan pada permukaan yang luas pada suhu dan tekanan tubuh.

Perusahaan-perusahaan yang memproduksi peranti medis telah mempertimbangkan menggunakan lapisan-lapisan berlian dalam implan-implan medis karena kekerasannya. Akan tetapi, ada kekhawatiran yang meningkat karena lapisan-lapisan ini sulit untuk dijadikan halus, abrasi jaringan di sekitar implan bisa terjadi, dan berlian bisa memiliki peluang yang lebih tinggi untuk menyebabkan bekuan darah dibanding material lainnya.

Wissner-Gross mengatakan sebuah lapisan es dua-nanometer hanya akan mengisi ujung-ujung pada permukaan berlian, memperhalusnya dan tidak mendukung protein-protein pembekuan dalam melekat ke permukaan tersebut.

“Lapisan ini sudah cukup halus dan cukup ramah-air untuk memperhalus kekurangan berlian,” kata Wissner-Gross

Wissner-Gross dan Kaxiras sedang merencanakan eksperimen-eksperimen untuk menguatkan temuan-temuan model komputer ini dalam dunia nyata. Wissner-Gross mengatakan mereka mengharapkan hasil dalam waktu satu tahun ini.

“Kami sangat yakin kami mampu merealisasikan efek tersebut secara eksperimental,” kata Wissner-Gross.

Wissner-Gross, yang telah menjadi mahasiswa program doktor Harvard sejak 2003, mengatakan penelitian ini dilatarbelakangi oleh ketertarikan terhadap interaksi fisik permukaan-permukaan nanostruktur dengan molekul-molekul yang relevan secara biologis, seperti air. Lapisan-lapisan berlian semakin murah, kata Wissner-Gross, dan seiring dengan turunnya harga berbagai kegunaan material ini akan semakin berkembang.

“Kami punya ide bahwa akan sangat menarik jika kami dapat mengkombinasikan teori berkenaan permukaan-permukaan berlian dengan apa yang terjadi dalam kriobiologi,” kata Wissner-Gross. “Kami sedang memikirkan bagaimana caranya agar temuan ini dalam melakukan sesuatu yang menarik dalam bidang kedokteran.”

Wissner-Gross mengatakan dia berencana untuk melanjutkan penelitian bukan hanya tentang proyek ini, tetapi juga dalam upaya-upaya lain tentang fisika permukaan yang memiliki sifat-sifat terbaru.

Rahasia di balik kemahiran tokek merayap

Pernahkah anda melihat tokek (Gecko gecko)? Atau saudara kecilnya, cicak? Saya yakin anda sudah pernah melihatnya. Tokek/cicak dapat berjalan di dinding dengan sudut yang sangat curam. Bahkan dapat pula berjalan di langit-langit. Mereka dapat menempel dimana saja. Pada permukaan apa saja. Kaca yang permukaannya halus, atau tembok dengan permukaan yang tidak rata. Mereka juga dapat menempel pada permukaan yang kotor dan berdebu.

Pernahkah terbersit pertanyaan bagaimana cara mereka melakukannya. Tentunya akan sangat berguna jika manusia mampu mengetahui rahasia besar ini.

Baru-baru ini para ilmuan telah berhasil membuat bulu halus yang terdapat pada kaki tokek yang digunakan untuk menempel. Bulu buatan ini, meski masih belum sempurna, bekerja mirip dengan jutaan bulu halus pada kaki tokek yang memungkinkan untuk menempel diatas permukaaan yang berbeda, tidak rata, kotor bedebu, dan lingkungan dimana lem-adhesive biasa tidak mampu.

Full, besama rekannya di Lewis & Clark College, UC Santa Barbara, dan Stanford University, melaporkan temuannya tentang rahasia tokek dalam menggunakan bulu halusnya untuk menempel tanpa penggunaan penghisap, lem, ataupun listrik statis. Mereka menemukan bahwa sudut antara bulu halus dengan bidang permukaan adalah hal yang menentukan dalam mengontrol daya menempel dan melepaskan pada tokek. Ratusan atau ribuan lapisan kecil yang terdapat pada ujung bulu-bulu halus tokek (disebut spatulae) akan menempel pada permukaan bidang dan berinteraksi secara molekuler.

Dengan lebih dari 500 ribu bulu halus untuk setiap kaki, dan ratusan sampai ribuan spatulae per bulu, akan menghasilkan interaksi molekular (dalam kimia di sebut gaya van der waals) total sebesar 1000 kali berat tubuh tokek.

Awalnya, tim ilmuan menduga daya rekat pada tokek sama dengan pada beberapa hewan, kodok, serangga, dan beberapa mamalia yang dapat menempel pada permukaan berdasarkan daya rekat kapiler, mengambil keuntungan dari tegangan permukaan cairan. Kebanyakan dari hewan-hewan ini memiliki semacam kelenjar pada kakinya yang menghasilkan cairan yang membuat mereka dapat menempel. Namun diketahui ternyata tokek tidak memiliki kelenjar seperti itu. Tak diragukan, spatulae pada ujung bulu-bulu halus di kaki dapat berinteraksi dengan lapisan air sangat tipis yang terdapat pada hampir seluruh permukaan.

Pada 2005, sebuah tim yang diketuai oleh Kellar Autumn, dosen biologi di Lewis & Clark College di Portland, Oregon, untuk pertama kalinya berhasil mengungkapkan bahwa tokek menjaga kaki lengketnya tetap bersih dengan mengebaskan partikel tanah setiap kali melangkah.

Kaki tokek sangat berlawanan dengan selotip yang menjadi “magnet” untuk menarik debu serta kotoran dan tidak dapat dipakai ulang. Dengan perekat tokek ini, bisa dibuat material pertama yang dapat menempel sekaligus membersihkan diri dari debu setiap kali kontak.

Saat ini ilmuwan di University of California, Berkeley, Amerika Serikat, telah berhasil menciptakan lem sintetis yang mirip dengan cara kerja kaki lengket tokek. Ini adalah lem pertama yang dapat membersihkan sendiri kotoran dan debu yang melekat sehabis digunakan tanpa memerlukan air atau bahan kimia (self-cleaning dry adhesive). Tidak seperti isolasi yang hanya bisa sekali pakai karena kotoran dan gangguan debu yang ikut menempel. A self-cleaning dry adhesive akan mempunyai banyak manfaat, seperti pada teknologi super konduktor, dan dapat menempel di bawah air dan di luar angkasa.

Selain itu juga penemuan ini membawa para ilmuwan itu semakin dekat dengan tujuan membuat robot segala medan yang dapat memanjat dinding dan langit-langit di lingkungan alami, bukan cuma di atas kaca yang bersih. Robot ini bisa pergi ke mana pun diperlukan, mungkin untuk mencari korban yang selamat setelah bencana.

This illustration shows how a dirt particle clinging to the gecko-inspired adhesive becomes more attached to a glass surface than to the adhesive’s microfibers, resulting in a dry self-cleaning effect. (Fearing lab/UC Berkeley)

Dalam studi terbaru, para ahli merancang perekat dengan serat mikro yang terbuat dari polimer kaku. Dengan menggunakan bola-bola mikro berdiameter 3-10 mikrometer untuk mensimulasikan kontaminan, para ilmuwan bisa menunjukkan bahwa serat mikro menekan partikel bola-bola mikro ke ujung serat ketika perekatnya tidak menyentuh permukaan. Ketika serat menekan permukaan halus, kontaminan membuat kontak yang lebih besar dengan permukaan dibanding dengan serat.

Teknik Baru Mengungkap Rahasia Plasma

Para peneliti Universitas British Columbia (UBC) mengembangkan sebuah teknik yang dapat membawa ilmuwan satu langkah lebih maju dalam mengungkap rahasia dari bentuk materi terbesar di alam ini (plasma − red).

Plasma − atau gas yang terionisasi − dapat ditemukan di bola lampu, ataupun di ledakan nuklir. Bagian atas atmosfer bumi adalah plasma, sebagaimana petir dan semua bintang yang menerangi langit di waktu malam.

Hampir seratus tahun, fisikawan bekerja untuk mengembangkan teori- teori matematika berkaitan dengan keadaan plasma, tetapi pengetahuan terperinci tentang plasma dan dinamika interaksinya sulit untuk dipahami. Plasma convensional bersifat panas, komleks dan sulit untuk dikarakterisasi baik di alam maupun di laboratorium.

Baru-baru ini, sejumlah kecil laboratorium telah mulai mengembangkan plasma kelas baru yang sangat sederhana sehingga menjanjikan untuk membawa pemahaman kita ke tingkat yang baru. Disebut sebagai plasma lewat dingin, sistem ini dimulai dengan atom yang terperangkap, didinginkan sampai beberapa derajat di atas nol abosolut, untuk menciptakan awan ion dan elektron yang berada dalam keadaan hampir diam. Dengan kontrol ini, peneliti dapat mempelajari langkah-langkah dasar bagaimana plasma terlahir dan bertumbuh.

Untuk pertama kalinya, para peneliti UBC telah menemukan cara untuk menciptakan plasma lewat dingin dari molekul. Dimulai dengan sample gas yang didinginkan dalam pemancar molekuler supersonic, sebuah kelompok yang dipimpin Ed Grant, professor dan kepala Fakultas Kimia UBC, menciptakan sebuah plasma nitric oxide dengan temperatur ion dan elektron sedingin plasma yang diciptakan dari atom yang terperangkap.

Plasma ini bertahan selama 30 mikrodetik atau lebih, tidak seperti atom, ion-ion molekuler dapat terdisasosiasi secara cepat melalui rekombinasi dengan electron."Adalah keajaiban bahwa plasma kami bisa terbentuk sama sekali," ujar Grant."Kami pikir partikel bermuatan tinggi yang kami ciptakan ikut campur dalam rekombinasi ion − elektron."

Teknik mereka yang dijelaskan secara rinci dalam edisi terbaru jurnal Physical Review Letters, tidak hanya memproduksi plasma dengan muatan 3 kali lebih padat dari yang dibuat dengan atom yang terperangkap, tetapi juga terlihat mencapai tingkat korelasi yang lebih tinggi, sebuah faktor yang mendeskripsikan gerakan menyerupai cairan yang terjadi.

"Molekul mewakili cawan suci dari sains lewat dingin," kata Grant."Kemampuan untuk tidak menggunakan teknik atom terperangkap memberi kami kebebasan dan dapat menuntun seluruh ilmu bidang fisika ke arah yang baru."

Grant menambahkan bahwa pemahaman lebih lanjut tentang plasma lewat dingin pada tingkat molekuler dapat membuka pengetahuan baru tentang planet planet gas(Jupiter, Saturnus, Uranus, dan Neptunus di tata surya kita), bintang White Darf, proses fusi termonuklir dan sinar- X.