Gambar ini menunjukkan susunan nanopartikel dalam dua lapisan superlattice yang berdekatan, dengan konfigurasi di sebelah kiri sesuai dengan keadaan kesetimbangan superlattice pada kondisi sekitar, dan yang di sebelah kanan direkam pada akhir proses kompresi volume. Perbandingan konfigurasi mengungkapkan kelenturan ligan dan rotasi seperti roda gigi dari nanopartikel, dengan ikatan hidrogen antara ligan yang ditambatkan ke nanopartikel yang berdekatan berfungsi sebagai “engsel molekul”. Atas kebaikan Uzi Landman
Sebuah studi yang baru diterbitkan dari para peneliti di Georgia Institute of Technology mengungkapkan bagaimana superlattices membuat mesin molekuler dengan “engsel” ikatan hidrogen dan “roda gigi” yang bergerak.
Sebuah studi komputasi dan eksperimental gabungan dari struktur berbasis perak yang dirakit sendiri yang dikenal sebagai superlattices telah mengungkapkan perilaku yang tidak biasa dan tak terduga: susunan mesin skala molekuler seperti roda gigi yang berputar serempak ketika tekanan diterapkan padanya.
Studi komputasi dan eksperimental menunjukkan bahwa struktur superlattice, yang dirakit sendiri dari kelompok yang lebih kecil dari nanopartikel perak dan molekul pelindung organik, terbentuk berlapis-lapis dengan ikatan hidrogen antara komponennya yang berfungsi sebagai “engsel” untuk memfasilitasi rotasi. Pergerakan “roda gigi” terkait dengan sifat material lain yang tidak biasa: peningkatan tekanan pada superlattice melembutkannya, memungkinkan kompresi selanjutnya dilakukan dengan gaya yang jauh lebih kecil.
Bahan yang mengandung nanopartikel mirip roda gigi – masing-masing terdiri dari hampir 500 atom – mungkin berguna untuk perpindahan skala molekuler, penginderaan, dan bahkan penyerapan energi. Struktur superlattice yang kompleks diyakini sebagai salah satu padatan terbesar yang pernah dipetakan secara detail menggunakan kombinasi sinar-X dan teknik komputasi.
Video ini menunjukkan pergerakan “roda gigi” perak yang dihasilkan dari nanoclusters.
“Saat kita memeras bahan ini, ia menjadi semakin lembut dan tiba-tiba mengalami perubahan dramatis,” kata Uzi Landman, seorang profesor Bupati dan FE Callaway di School of Physics di Georgia Institute of Technology. “Saat kita melihat orientasi struktur mikroskopis kristal di wilayah transisi ini, kita melihat bahwa sesuatu yang sangat tidak biasa terjadi. Struktur mulai berputar satu sama lain, menciptakan mesin molekuler dengan beberapa elemen bergerak terkecil yang pernah diamati.”
Roda gigi berputar sebanyak 23 derajat, dan kembali ke posisi semula saat tekanan dilepaskan. Roda gigi dalam lapisan bolak-balik bergerak berlawanan arah, kata Landman, yang merupakan direktur Pusat Ilmu Material Komputasi di Georgia Tech.
Didukung oleh Kantor Penelitian Ilmiah Angkatan Udara dan Kantor Ilmu Energi Dasar di Departemen Energi, penelitian tersebut dilaporkan pada 6 April di jurnal Bahan Alam. Para peneliti dari Georgia Tech dan University of Toledo berkolaborasi dalam proyek tersebut.
Penelitian ini mempelajari struktur superlattice yang terdiri dari cluster dengan inti masing-masing 44 atom perak. Kluster perak dilindungi oleh 30 molekul ligan dari bahan organik – mercaptobenzoic Setiap zat yang bila dilarutkan dalam air, memberikan pH kurang dari 7,0, atau mendonorkan ion hidrogen.
asam (p-MBA) – termasuk gugus asam. Molekul organiknya adalah melekat pada perak oleh atom belerang.
“Bukan atom individu yang membentuk superlattice,” jelas Landman. “Anda benar-benar membuat struktur yang lebih besar dari gugus yang sudah mengkristal. Anda dapat membuat larik terurut dari itu.”
Dalam larutan, kluster berkumpul menjadi superkisi yang lebih besar, dipandu oleh ikatan hidrogen, yang hanya dapat terbentuk di antara molekul p-MBA pada sudut tertentu.
“Proses perakitan sendiri dipandu oleh keinginan untuk membentuk ikatan hidrogen,” jelas Landman. “Ikatan ini terarah dan tidak dapat bervariasi secara signifikan, yang membatasi orientasi yang dapat dimiliki molekul.”
Superlattice dipelajari pertama kali menggunakan simulasi dinamika molekul mekanika kuantum yang dilakukan di lab Landman. Sistem ini juga dipelajari secara eksperimental oleh kelompok penelitian yang dipimpin oleh Terry Bigioni, seorang profesor di Departemen Kimia dan Biokimia di Universitas Toledo.
Perilaku yang tidak biasa terjadi saat superlattice dikompres menggunakan teknik hidrostatik. Setelah struktur dikompresi sekitar enam persen dari volumenya, tekanan yang diperlukan untuk kompresi tambahan tiba-tiba turun secara signifikan. Para peneliti menemukan bahwa penurunan terjadi ketika komponen nanocrystal diputar, lapis demi lapis, dalam arah yang berlawanan.
Sama seperti ikatan hidrogen mengarahkan bagaimana struktur superlattice terbentuk, demikian juga mereka memandu bagaimana struktur bergerak di bawah tekanan.
“Ikatan hidrogen suka memiliki arah dalam orientasinya,” jelas Landman. “Saat Anda menekan superlattice, ia ingin mempertahankan ikatan hidrogen. Dalam proses mempertahankan ikatan hidrogen, semua ligan organik membengkokkan inti perak dalam satu lapisan ke satu arah, dan inti perak di lapisan berikutnya menekuk dan memutar ke arah lain.”
Ketika nanoclusters bergerak, struktur berputar di sekitar ikatan hidrogen, yang bertindak sebagai “engsel molekuler” untuk memungkinkan rotasi. Pemampatan sama sekali dimungkinkan, kata Landman, karena struktur kristal memiliki sekitar setengah dari ruangnya yang terbuka.
Pergerakan nanocrystallites perak dapat memungkinkan bahan superlattice berfungsi sebagai struktur penyerap energi, mengubah gaya menjadi gerakan mekanis. Dengan mengubah sifat konduktif superlattice perak, mengompresi material juga memungkinkannya digunakan sebagai sensor dan sakelar skala molekuler.
Gabungan studi eksperimental dan komputasi menjadikan superlattice perak salah satu materi yang paling banyak dipelajari di dunia.
“Kami sekarang memiliki kendali penuh atas bahan unik yang komposisinya memiliki keragaman molekul,” kata Landman. “Ia memiliki logam, memiliki bahan organik, dan memiliki inti logam kaku yang dikelilingi oleh bahan lunak.”
Untuk masa depan, para peneliti merencanakan percobaan tambahan untuk mempelajari lebih lanjut tentang sifat unik dari sistem superlattice. Sistem yang unik menunjukkan bagaimana sifat yang tidak biasa dapat muncul ketika sistem skala nanometer digabungkan dengan banyak unit skala kecil lainnya.
“Kami membuat partikel kecil, dan mereka berbeda karena kecil itu berbeda,” kata Landman. “Ketika Anda menyatukan mereka, memiliki lebih banyak dari mereka berbeda karena itu memungkinkan mereka berperilaku kolektif, dan aktivitas kolektif itu membuat perbedaan.”
Selain yang telah disebutkan, rekan penulis Georgia Tech termasuk ilmuwan riset Bokwon Yoon – penulis pertama makalah ini – dan ilmuwan riset senior W.David Luedtke, Robert Barnett, dan Jianping Gao. Rekan penulis dari University of Toledo termasuk Anil Desireddy dan Brian E. Conn.
Penelitian ini didukung oleh Air Force Office of Scientific Research (AFOSR), dan oleh Office of Basic Energy Sciences dari US Department of Energy (DOE) di bawah Kontrak FG05-86ER45234. Setiap kesimpulan atau opini yang diungkapkan adalah milik penulis dan tidak mewakili pandangan resmi AFOSR atau DOE.
Publikasi : Bokwon Yoon, dkk., “Struktur ikatan hidrogen dan respons kiral mekanis dari superlattice nanopartikel perak,” Bahan Alam, 2014; doi:10.1038/nmat3923
Gambar: Atas perkenan Uzi Landman
