Menyaksikan Gerakan Elektron dalam Molekul Selama Reaksi Kimia

Dalam percobaan, Wörner dan rekan-rekannya mengukur cahaya elektron sehingga dapat menyimpulkan informasi rinci tentang distribusi elektron dan evolusinya seiring waktu.

Sebuah kelompok riset yang dipimpin ETH Zurich, untuk pertama kalinya, berhasil memvisualisasikan gerakan elektron selama reaksi kimia. Temuan baru dalam percobaan yang sangat penting dan fundamental bagi fotokimia ini juga bisa membantu dalam desain sel surya menjadi lebih efisien.

Pada tahun 1999, Ahmed Zewail dianugerahi nobel dalam bidang kimia untuk studi reaksi kimia dengan menggunakan pulsa laser ultra-singkat. Zewail bisa menyaksikan gerakan atom, dan dengan demikian bisa memvisualisasikan keadaan transisi pada tingkat molekuler. Mampu menyaksikan dinamika elektron tunggal masih dianggap mimpi pada masa itu. Berkat perkembangan terbaru dalam teknologi laser dan penelitian dalam bidang spektroskopi attosecond (1 attosecond = 10^?18 detik) penelitian ini telah berkembang pesat. Untuk pertama kalinya, Prof. Hans Jakob Wörner dari Laboratorium Kimia Fisik di ETH Zurich, bersama rekan-rekan dari Kanada dan Perancis, mampu merekam gerakan elektronik selama reaksi kimia. Percobaan ini dideskripsikan dalam edisi terbaru Science.

Tim peneliti menyinari molekul nitrogen dioksida (NO₂) dengan pulsa ultraviolet yang sangat singkat. Selanjutnya, molekul mengambil energi dari pulsa yang mengatur elektron dalam gerakan. Elektron-elektron itu mulai menata ulang diri mereka sendiri, yang menyebabkan awan elektron berosilasi di antara dua bentuk yang berbeda dalam waktu yang sangat singkat, sebelum molekul mulai bergetar dan akhirnya terurai menjadi oksida nitrat dan sebuah atom oksigen.

Gambar ini menunjukkan titik potong kerucut dan dua keadaan elektronik molekul NO2 sebelum terdisosiasi. (Kredit: Wörner/ETH Zürich)

Titik Potong Kerucut

Nitrogen dioksida memiliki karakter model yang berkenaan dengan pemahaman gerakan elektronik. Dalam molekul NO₂, dua keadaan elektron dapat memiliki energi yang sama untuk sebuah geometri tertentu – umumnya digambarkan sebagai titik potong kerucut. Titik potong kerucut sangat penting bagi fotokimia dan sering terjadi dalam proses kimia alami yang disebabkan oleh cahaya. Titik potong kerucut bekerja seperti saklar tukik. Misalnya, jika retina mata manusia disinari cahaya, elektron mulai bergerak, dan molekul retina mengubah bentuknya, yang akhirnya mengubah informasi cahaya menjadi informasi listrik bagi otak manusia. Aspek khusus tentang titik potong kerucut adalah bahwa gerakan elektron ditransfer menjadi gerakan atom yang sangat efisien.

Memotret elektron

Dalam artikel sebelumnya, Hans Jakob Wörner telah mempublikasikan bagaimana spektroskopi attosecond dapat digunakan untuk menyaksikan gerakan elektron. Pulsa ultraviolet lemah pertama mengatur elektron agar bergerak. Pulsa inframerah kuat kedua kemudian menghilangkan elektron dari molekul, mempercepat dan mendorongnya kembali ke molekul. Akibatnya, sebuah pulsa cahaya attosecond terpancarkan, membawa sebuah potret distribusi elektron dalam molekul. Wörner mengilustrasikan prinsip spektroskopi attosecond sebagai berikut: “Percobaan ini dapat dibandingkan dengan foto-foto, misalnya, gambar peluru yang ditembakkan melalui apel. Peluru itu akan terlalu cepat bagi penutup kamera, sehingga menghasilkan gambar yang buram. Dengan demikian, penutupnya dibiarkan terbuka dan gambar diterangi dengan cahaya berkedip, yang lebih cepat daripada peluru. Begitulah cara kami memperoleh potret tersebut.”

Dari percobaan hingga ke sel surya

Ketika elektron kembali ke molekul, ia melepaskan energi dalam bentuk cahaya. Dalam percobaan, Wörner dan rekan-rekannya mengukur cahaya elektron sehingga dapat menyimpulkan informasi rinci tentang distribusi elektron dan evolusinya seiring waktu. Informasi ini mengungkap rincian mekanisme reaksi kimia yang tidak bisa diakses pada sebagian besar teknik-teknik eksperimental sebelumnya. Percobaan pada NO₂ membantu memahami proses-proses fundamental dalam molekul dan merupakan ekstensi ideal bagi simulasi komputer untuk proses fotokimia: “Apa yang membuat percobaan kami begitu penting adalah, hal ini memverifikasi model teoritis,” kata Wörner. Kepentingan besar dalam proses fotokimia tidaklah mengejutkan, sebagaimana area penelitian ini bertujuan untuk pengembangan sel surya dan membuat fotosintesis buatan menjadi hal yang mungkin.

Kredit: ETH Zürich
Jurnal: H. J. Worner, J. B. Bertrand, B. Fabre, J. Higuet, H. Ruf, A. Dubrouil, S. Patchkovskii, M. Spanner, Y. Mairesse, V. Blanchet, E. Mevel, E. Constant, P. B. Corkum, D. M. Villeneuve. Conical Intersection Dynamics in NO₂ Probed by Homodyne High-Harmonic Spectroscopy. Science, 2011; 334 (6053): 208 DOI: 10.1126/science.1208664

faktailmiah.com