Ilustrasi ini menggambarkan molekul alkohol dan air yang diserap hanya ke dalam satu dari dua jenis pori. Kredit: Universitas Nasional Yokohama
Sebuah studi terkini oleh Universitas Nasional Yokohama telah memperkenalkan metodologi inovatif dalam ilmu material, yang menghasilkan perakitan mandiri kristal molekuler berpori ganda menggunakan teknik penyortiran canggih. Inovasi ini membuka jalan bagi pengembangan material multifungsi dengan beragam aplikasi.
Kerangka molekul serbaguna yang dikenal sebagai struktur supramolekul diskret berfungsi sebagai blok penyusun mikroskopis yang dapat disesuaikan untuk berbagai aplikasi. Struktur ini dapat digunakan dalam penghantaran obat, menciptakan lingkungan unik untuk reaksi katalitik, atau diintegrasikan ke dalam mesin molekuler.
Dalam makalah mereka yang diterbitkan di Jurnal Masyarakat Kimia AmerikaPara peneliti dari Universitas Nasional Yokohama menyajikan metodologi baru untuk memajukan perakitan mandiri bahan supramolekul berfungsi ganda.
Perakitan sendiri melibatkan pembentukan spontan arsitektur supramolekul yang terdefinisi dengan baik yang dipisahkan dari serangkaian komponen tertentu dalam kesetimbangan termodinamika. Biasanya, kombinasi biner prekursor, masing-masing dengan gugus fungsi komplementer, dirakit menjadi produk yang stabil. Sistem multikomponen, yang mencakup setidaknya dua prekursor dengan gugus fungsi yang identik, masih relatif belum dieksplorasi.
Menjelajahi Penyortiran Diri Sosial
Para ilmuwan tengah menyelidiki metode untuk menggiring prekursor berbeda dengan gugus fungsi yang sama ke dalam struktur supramolekuler terintegrasi melalui “penyortiran diri sosial”. Dalam penyortiran diri sosial, transisi antara sistem yang disortir sendiri yang kompleks meniru fungsi pengaturan yang ditemukan di alam, yang mampu melakukan perilaku pengenalan yang selektif namun adaptif.
Untuk mencapai tujuan ini, para peneliti telah mengembangkan pendekatan strategis guna mencegah agregasi acak dan “penyortiran diri narsistik”, di mana setiap jenis prekursor berkumpul menjadi struktur independen.
Salah satu pendekatannya adalah melalui teknik yang disebut chiral self-sorting, yang bergantung pada komplementaritas kiral (sisi kanan atau kiri). Ketika prekursor rasemat (campuran dua molekul kiral yang disebut enantiomer) digunakan, kedua enantiomer tersebut sering digabungkan menjadi satu struktur tunggal.
Molekul tangan kanan dan tangan kiri cenderung sejajar secara bergantian selama kristalisasi, dan memungkinkan untuk membangun “quasi-racemates” yang memiliki sedikit perbedaan struktural antara bentuk tangan kanan dan tangan kiri.
Prestasi dalam Pengembangan Material Fungsional
“Penelitian sebelumnya terutama difokuskan pada pencapaian penyelarasan molekul-molekul ini, dan penerapan fenomena ini pada pengembangan material fungsional merupakan suatu tantangan,” kata penulis korespondensi Suguru Ito, seorang profesor madya teknik di Universitas Nasional Yokohama.
Dalam penelitian mereka, tim Ito mengeksplorasi susunan “quasi-racemates” dengan sedikit perbedaan struktural antara bentuk tangan kanan dan tangan kiri untuk menciptakan material kristal dengan pori-pori dengan ukuran yang bervariasi. Penyortiran sosial dari dua pasang quasi-racemates dicapai dengan membentuk molekul berbentuk cincin dengan empat molekul penghubung. Cincin-cincin stabil ini diperoleh melalui reaksi reversibel antara gugus aldehida dari quasi-racemates dan gugus amina dari molekul penghubung. Hasilnya, molekul berbentuk cincin dapat mengkristal menjadi kristal molekul berpori yang memiliki dua jenis pori seperti tabung.
“Ini merupakan pencapaian penting dalam penerapan teknik perakitan molekuler tangan kanan dan tangan kiri untuk menciptakan material fungsional,” kata Ito.
Mendesain material berpori dengan beberapa sistem pori merupakan tugas yang rumit, tetapi material ini sangat berharga karena fungsinya yang canggih. Karena setiap pori dapat berfungsi secara berbeda, material dengan beberapa pori memungkinkan beberapa fungsi atau desain khusus untuk aplikasi yang rumit.
Bukti eksperimental menegaskan bahwa pori-pori ganda ini menunjukkan sifat penyerapan yang berbeda.
Studi ini menekankan kegunaan quasi-racemates dalam membangun struktur supramolekul yang tertata secara sosial dengan dua fungsi yang berbeda. Lebih jauh lagi, metodologi ini menyiapkan panggung untuk pembuatan kelas baru kristal molekuler berpori ganda.
“Sejauh pengetahuan kami, ini adalah kristal molekuler berpori ganda pertama yang terbentuk oleh makrosiklus yang diurutkan secara sosial,” kata Ito.
Penelitian di masa mendatang akan bertujuan untuk mengembangkan berbagai bahan kristal multifungsi dengan menerapkan teknik pengaturan kuasi-rasemik.
“Tujuan utama saya adalah menciptakan metode untuk merakit molekul organik secara tepat dan mengembangkan bahan kristal fungsional yang berguna bagi masyarakat,” kata Ito.
Referensi: “Social Self-Sorting of Quasi-Racemates: Pendekatan Unik terhadap Kristal Molekuler Berpori Ganda” oleh Momoka Kimoto, Shoichi Sugiyama, Keigo Kumano, Satoshi Inagaki dan Suguru Ito, 25 Juni 2024, Jurnal Masyarakat Kimia Amerika.
Nomor Identifikasi Penduduk: 10.1021/jacs.4c01654
Penelitian ini didukung oleh Badan Sains dan Teknologi Jepang.
NewsRoom.id
