Para peneliti telah berhasil menstabilkan molekul ferosen pada substrat datar untuk pertama kalinya, memungkinkan terciptanya mesin molekul geser yang dapat dikontrol secara elektronik.
Mesin molekuler buatan, yang hanya terdiri dari beberapa molekul, memiliki potensi transformatif di berbagai bidang, termasuk katalisis, elektronik molekuler, kedokteran, dan material kuantum. Ini skala nano perangkat berfungsi dengan mengubah rangsangan eksternal, seperti sinyal listrik, menjadi gerakan mekanis terkontrol pada tingkat molekuler.
Ferrocene—molekul unik berbentuk drum yang mengandung besi (Fe) atom terjepit di antara dua cincin karbon beranggota lima—adalah kandidat yang menonjol untuk mesin molekuler. Penemuannya, yang menghasilkan Hadiah Nobel Kimia pada tahun 1973, telah menempatkannya sebagai molekul dasar dalam bidang studi ini.
Daya tarik ferosen terletak pada sifatnya yang luar biasa: perubahan keadaan elektronik ion Fe, dari Fe²⁺ menjadi Fe³⁺, menginduksi rotasi 36° cincin karbon di sekitar sumbu pusat molekul. Rotasi ini berpotensi dikendalikan dengan sinyal listrik eksternal, memungkinkan manipulasi yang tepat pada tingkat molekuler.
Meskipun menjanjikan, tantangan yang signifikan telah menghambat penerapan praktis ferrocene. Ketika diserap ke permukaan, khususnya substrat logam mulia datar, ferrocene terurai mendekati suhu kamar, bahkan dalam kondisi vakum yang sangat tinggi. Sampai saat ini, belum ada metode yang dapat diandalkan untuk mengikat molekul ferosen yang terisolasi ke permukaan tanpa memicu dekomposisi.
Terobosan dalam Stabilisasi Ferrosen
Dalam sebuah studi inovatif, tim peneliti yang dipimpin oleh Associate Professor Toyo Kazu Yamada dari Graduate School of Engineering di Chiba University, Jepang, termasuk Profesor Peter Krüger dari Fakultas Teknik di Chiba University, Profesor Satoshi Kera dari Institute for Molecular Science, Jepang, dan Profesor Masaki Horie dari Universitas Nasional Tsing Hua, Taiwan, akhirnya berhasil mengatasi tantangan ini. Mereka berhasil menciptakan mesin molekuler terkecil di dunia yang dikendalikan secara elektrik.
“Dalam penelitian ini, kami berhasil menstabilkan dan mengadsorpsi molekul ferosen ke permukaan logam mulia dengan melapisinya terlebih dahulu dengan film molekul eter mahkota dua dimensi. Ini adalah bukti eksperimental langsung pertama mengenai gerak molekul berbasis ferosen pada skala atom,” kata Prof. Yamada. Temuan mereka dipublikasikan di jurnal Kecil pada tanggal 30 November 2024.
Untuk menstabilkan molekul ferosen, pertama-tama tim memodifikasinya dengan menambahkan garam amonium, membentuk garam amonium ferosen (Fc-amm). Hal ini meningkatkan daya tahan dan memastikan bahwa molekul dapat menempel dengan aman pada permukaan substrat. Molekul-molekul baru ini kemudian ditambatkan ke film monolayer yang terdiri dari molekul siklik eter mahkota, yang ditempatkan pada substrat tembaga datar. Molekul siklik eter mahkota memiliki struktur unik dengan cincin pusat yang dapat menampung berbagai atom, molekul, dan ion.
Mekanisme Stabilisasi dan Gerak Molekul
Prof Yamada menjelaskan, “Sebelumnya, kami menemukan bahwa molekul siklik eter mahkota dapat membentuk film monolayer pada substrat logam datar. Lapisan tunggal ini memerangkap ion amonium dari molekul Fc-amm di cincin tengah molekul eter mahkota, mencegah dekomposisi ferosen dengan bertindak sebagai pelindung terhadap substrat logam.”
Selanjutnya, tim menempatkan probe scanning tunneling microscopy (STM) di atas molekul Fc-amm dan menerapkan tegangan listrik, yang menyebabkan gerakan geser lateral molekul. Khususnya, ketika tegangan −1,3 volt diterapkan, sebuah lubang (ruang kosong yang ditinggalkan oleh elektron) memasuki struktur elektronik ion Fe, mengalihkannya dari Fe2+ ke Fe3+ negara. Hal ini memicu perputaran cincin karbon yang disertai dengan gerakan geser lateral molekul. Perhitungan teori fungsi massa jenis menunjukkan bahwa gerak geser lateral ini terjadi akibat adanya gaya tolak menolak Coulomb antara ion Fc-amm yang bermuatan positif. Yang penting, ketika tegangan dihilangkan, molekul kembali ke posisi semula, menunjukkan bahwa gerakan tersebut bersifat reversibel dan dapat dikontrol secara tepat menggunakan sinyal listrik.
“Studi ini membuka kemungkinan menarik untuk mesin molekuler berbasis ferosen. Kemampuan mereka untuk melakukan tugas-tugas khusus pada tingkat molekuler dapat menghasilkan inovasi revolusioner di banyak bidang ilmiah dan industri, termasuk pengobatan presisi, material cerdas, dan manufaktur maju,” kata Prof. Yamada, menyoroti potensi penerapan teknologi mereka.
Singkatnya, penelitian ini menyajikan terobosan penting dalam desain dan pengendalian mesin molekuler yang dapat menghasilkan kemajuan signifikan di berbagai bidang.
Referensi: “Gerakan Geser Terbalik dengan Injeksi Lubang pada Ferosen Terkait Amonium, Dipisahkan Secara Elektronik dari Substrat Logam Mulia oleh Lapisan Templat Crown-Ether” oleh Fumi Nishino, Peter Krüger, Chi-Hsien Wang, Ryohei Nemoto, Yu-Hsin Chang, Takuya Hosokai, Yuri Hasegawa, Keisuke Fukutani, Satoshi Kera, Masaki Horie dan Toyo Kazu Yamada, 30 November 2024, Kecil.
DOI: 10.1002/smll.202408217
Pendanaan: JSPS KAKENHI, Murata Science Foundation, Shorai Foundation for Science and Technology, TEPCO Memorial Foundation, Cooperative Research by Institute for Molecular Science, Casio Science Foundation
