Reading Time: 3 minutes
Para peneliti di Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), bersama dengan kolaborator dari Washington State University, menciptakan materi baru yang mampu menangkap energi cahaya. Penelitian yang terinspirasi oleh alam ini menyediakan sistem pemanenan cahaya buatan yang sangat efisien dengan aplikasi potensial dalam fotovoltaik dan bioimaging.
Penelitian tersebut menjadi dasar untuk mengatasi tantangan sulit yang terlibat dalam pembuatan bahan hibrida organik-anorganik fungsional hierarkis.
Alam memberikan contoh indah dari bahan hibrida yang terstruktur secara hierarkis seperti tulang dan gigi. Bahan-bahan ini biasanya menampilkan susunan atom yang tepat yang memungkinkannya mencapai banyak sifat luar biasa, seperti peningkatan kekuatan dan ketangguhan.
Ilmuwan material PNNL Chun-Long Chen, penulis yang sesuai dari studi ini, dan kolaboratornya menciptakan material baru yang mencerminkan kompleksitas struktural dan fungsional dari material hibrid alami.
Materi ini menggabungkan programabilitas molekul sintetik mirip protein dengan kompleksitas nanocluster berbasis silikat untuk menciptakan kelas baru kristal nano yang sangat kuat. Mereka kemudian memprogram bahan hibrida 2D ini untuk menciptakan sistem pemanenan cahaya buatan yang sangat efisien.
“Matahari adalah sumber energi terpenting yang kita miliki,” kata Chen. “Kami ingin melihat apakah kami dapat memprogram kristal nano hibrida kami untuk memanen energi cahaya – seperti yang dapat dilakukan oleh tumbuhan alami dan bakteri fotosintetik – sambil mencapai ketahanan dan kemampuan proses yang tinggi seperti yang terlihat dalam sistem sintetis.” Hasil penelitian ini dipublikasikan pada 14 Mei 2021 di Science Advances.
Terinspirasi alam
Meskipun jenis bahan yang terstruktur secara hierarkis ini sangat sulit dibuat, tim ilmuwan multidisiplin Chen menggabungkan pengetahuan ahli mereka untuk mensintesis molekul yang ditentukan urutan yang mampu membentuk pengaturan seperti itu.
Para peneliti menciptakan struktur mirip protein yang diubah, yang disebut peptoid, dan menempelkan struktur mirip sangkar berbasis silikat yang tepat (disingkat POSS) ke salah satu ujungnya.
Mereka kemudian menemukan bahwa, dalam kondisi yang tepat, mereka dapat menginduksi molekul-molekul ini untuk berkumpul sendiri menjadi kristal berbentuk nanosheet 2D yang sempurna.
Hal ini menciptakan lapisan lain dari kompleksitas mirip membran sel yang mirip dengan yang terlihat pada struktur hierarki alami sambil mempertahankan stabilitas tinggi dan meningkatkan sifat mekanik dari masing-masing molekul.
“Sebagai ilmuwan material, alam memberi saya banyak inspirasi,” kata Chen. “Setiap kali saya ingin merancang molekul untuk melakukan sesuatu yang spesifik, seperti bertindak sebagai sarana pengiriman obat, saya hampir selalu dapat menemukan contoh alami untuk memodelkan desain saya.”
Efisiensi transfer energi
Setelah tim berhasil membuat kristal nano peptoid POS dan mendemonstrasikan properti unik mereka termasuk kemampuan program yang tinggi, mereka kemudian mulai mengeksploitasi properti ini.
Mereka memprogram materi untuk memasukkan kelompok fungsional khusus di lokasi tertentu dan jarak antarmolekul. Karena nanocrystals ini menggabungkan kekuatan dan stabilitas POSS dengan variabilitas blok penyusun peptoid, kemungkinan pemrograman tidak terbatas.
Sekali lagi mencari inspirasi dari alam, para ilmuwan menciptakan sistem yang dapat menangkap energi cahaya seperti halnya pigmen yang ditemukan pada tumbuhan.
Mereka menambahkan pasangan molekul “donor” khusus dan struktur seperti sangkar yang dapat mengikat molekul “akseptor” di lokasi yang tepat di dalam kristal nano. Molekul donor menyerap cahaya pada panjang gelombang tertentu dan mentransfer energi cahaya ke molekul akseptor.
Molekul akseptor kemudian memancarkan cahaya pada panjang gelombang yang berbeda. Sistem yang baru dibuat ini menunjukkan efisiensi transfer energi lebih dari 96%, menjadikannya salah satu sistem pemanen cahaya berair yang paling efisien dari jenisnya yang dilaporkan sejauh ini.
Penerapan material hybrid baru
Untuk menunjukkan penggunaan sistem ini, para peneliti kemudian memasukkan nanocrystals ke dalam sel manusia hidup sebagai probe biokompatibel untuk pencitraan sel hidup.
Ketika cahaya dengan warna tertentu menyinari sel dan molekul akseptor hadir, sel memancarkan cahaya dengan warna berbeda. Ketika molekul akseptor tidak ada, perubahan warna tidak diamati.
Meskipun sejauh ini tim hanya mendemonstrasikan kegunaan sistem ini untuk pencitraan sel hidup, sifat yang ditingkatkan dan kemampuan program yang tinggi dari materi hibrid 2D ini membuat mereka percaya bahwa ini adalah salah satu dari banyak aplikasi.
“Meskipun penelitian ini masih dalam tahap awal, fitur struktur unik dan transfer energi tinggi dari nanocrystals POSS-peptoid 2D memiliki potensi untuk diterapkan pada banyak sistem yang berbeda, dari fotovoltaik hingga fotokatalisis,” kata Chen. Dia dan rekan-rekannya akan terus mencari jalan untuk penerapan material hybrid baru ini.
Penulis lain dari studi ini termasuk: James De Yoreo, Mingming Wang, Shuai Zhang, dan Xin Zhang dari PNNL dan Song Yang dan Yuehe Lin dari Washington State University. Shuai Zhang, James De Yoreo, dan Chun-Long Chen juga berafiliasi dengan University of Washington.
Pekerjaan ini didukung oleh program Ilmu Energi Dasar Departemen Energi AS sebagai bagian dari Pusat Ilmu Sintesis di Seluruh Timbangan, Pusat Penelitian Perbatasan Energi yang berlokasi di Universitas Washington.
Sumber bacaan: https://www.sciencedaily.com/releases/2021/05/210515091116.htm
