Peneliti Universitas Hokkaido telah memelopori reaksi domino dalam kimia redoks dengan menciptakan molekul yang mengalami perubahan struktural untuk memfasilitasi reaksi berurutan. Terobosan ini dapat berdampak pada perkembangan masa depan dalam teknologi nano, baterai energi terbarukan, dan material dengan sifat elektronik yang dapat disesuaikan.
Untuk pertama kalinya, para ilmuwan berhasil mentransmisikan efek yang dikenal sebagai reaksi domino menggunakan kimia redoks.
Reaksi domino terjadi ketika transformasi suatu gugus kimia menstimulasi reaksi gugus terikat lainnya, atau molekul lain, sehingga menimbulkan efek knock-on yang cepat melalui sistem seperti deretan domino yang berjatuhan. Peneliti di Universitas Hokkaido kini telah mencapai contoh pertama reaksi domino dalam cabang kimia yang disebut kimia redoks.
Reaksi domino adalah rangkaian reaksi kimia yang setiap reaksi memicu reaksi berikutnya dalam rangkaian tersebut, seperti kartu domino yang jatuh (atas). Dalam reaksi redoks domino, setiap reaksi menyebabkan perubahan struktural yang memicu reaksi redoks berikutnya dalam rangkaian tersebut (bawah). Kredit: Takashi Harimoto, dkk. Angewandte Chemie Edisi Internasional. 28 November 2023
Memahami Kimia Redoks
Istilah redoks berasal dari kata ‘reduksi’ yang berarti perolehan elektron, dan ‘oksidasi’ yang berarti hilangnya elektron. Oleh karena itu, reaksi redoks merupakan proses transfer elektron.
“Masalah dalam mencapai reaksi domino dalam proses redoks adalah bahwa transfer elektron, terutama transfer multi-elektron, menghasilkan muatan listrik jenis yang interaksi elektrostatisnya dapat menghambat perubahan lebih lanjut,” kata ahli kimia Yusuke Ishigaki dari tim Hokkaido.
Molekul SS-BQD mengalami reaksi domino-redoks menghasilkan bentuk senyawa tetrakasi (atas). Reaksi domino redoks ini awalnya dipicu oleh panas, sehingga menyebabkan perubahan struktur yang menghasilkan reaksi domino redoks. Kredit: Takashi Harimoto, dkk. Angewandte Chemie Edisi Internasional. 28 November 2023
Desain Molekuler yang Inovatif
Untuk mengatasi kendala tersebut, para peneliti merancang molekul dua bagian yang mengalami perubahan struktural yang signifikan ketika satu bagian diubah antara keadaan listrik netral (tereduksi) dan bermuatan positif (teroksidasi). Perubahan struktural ini mentransmisikan efek kimia ke bagian lain dari molekul yang membuat molekul tersebut lebih mungkin mengalami oksidasi.
Molekul yang mereka rancang terdiri dari dua unit aktif redoks yang relatif besar yang dihubungkan oleh ikatan fleksibel non-planar yang dibentuk oleh atom belerang. Ketika salah satu unit berpasangan kehilangan elektron (teroksidasi), ia memperoleh dua muatan positif yang bertindak sebagai pemicu yang menyebabkan bagian lain dari molekul berputar mengelilingi inti. Perubahan keadaan elektron dalam bentuk terpuntir ini dari bentuk awal terlipat kemudian memudahkan terjadinya proses oksidasi pada gugus tetangganya sehingga menimbulkan efek domino.
Takashi Harimoto, penulis pertama (kiri), dan Yusuke Ishigaki, penulis koresponden (kanan), di depan instrumen sinar-X (Rigaku XtaLAB Synergy-S). Kredit: Yusuke Ishigaki
Potensi Penerapan dan Implikasinya di Masa Depan
Pemicu awal reaksi dapat diawali dengan kenaikan suhu, sehingga memberikan cara pengendalian. Meskipun efek ini sejauh ini baru ditunjukkan dalam molekul dua bagian, para peneliti berpendapat bahwa efek ini pada akhirnya mungkin digunakan untuk mentransmisikan transformasi redoks seperti gelombang pada molekul yang jauh lebih besar dengan banyak unit ‘domino’ yang saling terhubung.
Penerapan penemuan ini mungkin masih jauh di masa depan, tetapi jelas ada beberapa kemungkinan umum. Transformasi listrik dan struktural yang berjalan melalui rantai molekul dapat menjadi bagian bergerak berskala nano dari sistem komputasi dan sensor kimia, misalnya. Ada juga kemungkinan penerapan sistem baterai baru yang diperlukan untuk mendukung transisi yang sedang berlangsung ke teknologi energi listrik terbarukan.
“Kontrol yang ditawarkan melalui pemanasan dan pendinginan dapat digunakan di banyak bidang untuk membuat material baru dengan sifat elektronik yang dapat dialihkan, terutama yang melibatkan transfer multi-elektron,” kata Ishigaki.
“Sangat menantang, namun juga sangat memuaskan, untuk menunjukkan apa yang belum pernah dicapai sebelumnya, dan kami sekarang berharap untuk beralih ke sistem yang lebih besar dan kompleks yang melibatkan peningkatan transfer elektron,” Ishigaki menyimpulkan.
Referensi: “Reaksi Domino-Redoks yang Diinduksi oleh Perubahan Konformasi yang Dipicu Secara Elektrokimia” oleh Takashi Harimoto, Tomoki Tadokoro, Soichiro Sugiyama, Takanori Suzuki dan Yusuke Ishigaki, 16 November 2023, Kimia Terapan Edisi Internasional.
DOI: 10.1002/anie.202316753
Penelitian ini didanai oleh Kementerian Pendidikan, Kebudayaan, Olahraga, Sains dan Teknologi Jepang, Masyarakat Jepang untuk Promosi Sains, Badan Sains dan Teknologi Jepang, Yayasan Promosi Teknik Ion, dan Program Penelitian Teknik Ion. Aliansi Bintang Lima di Network Joint Research Center (NJRC) untuk Material dan Perangkat.
