Para ilmuwan telah mengadaptasi teknik kimia yang digunakan dalam pembuatan kaca tradisional untuk menyempurnakan bahan futuristik yang disebut kaca kerangka logam-organik (MOF). Bahan-bahan ini terbuat dari atom logam yang dihubungkan oleh molekul organik dan dinilai karena kemampuannya memerangkap gas seperti karbon dioksida dan hidrogen, dan bahkan menangkap air.
Tim peneliti internasional, termasuk ilmuwan dari TU Dortmund dan Universitas Birmingham, melaporkan hasilnya Kimia alami pada tanggal 4 Mei. Pekerjaan mereka menunjukkan bahwa kacamata MOF dapat dipasang dan dirancang menggunakan metode yang serupa dengan yang telah lama digunakan untuk kaca konvensional.
Para peneliti menemukan bahwa memasukkan senyawa kimia kecil yang mengandung natrium atau litium akan mengubah struktur dan perilaku material. Aditif tersebut menurunkan suhu saat kaca melunak dan membuatnya lebih cair saat dipanaskan, sehingga dapat menyederhanakan proses produksi.
Penemuan ini menciptakan kerangka kerja baru untuk merancang kacamata MOF khusus untuk teknologi canggih. Aplikasi potensial mencakup pemisahan gas, penyimpanan bahan kimia, pelapisan canggih, dan sistem energi bersih.
Dr Dominik Kubicki dari Universitas Birmingham mengatakan: “Kaca telah menjadi bagian dari peradaban manusia selama ribuan tahun. Dari Mesopotamia kuno hingga kabel serat optik modern, sejumlah kecil pengubah kimia membuat kaca lebih mudah diproses dan diubah sifat fungsinya.
“Namun, kaca MOF hanya melunak pada suhu tinggi – di atas 300°C – mendekati suhu degradasinya, sehingga menyulitkan proses produksi dan membatasi penggunaan yang lebih luas. Penemuan ini membuka kemungkinan baru untuk bahan berperforma tinggi di masa depan.”
Natrium mengubah struktur kaca MOF
Salah satu kacamata MOF yang paling terkenal adalah ZIF-62, bahan berpori yang dapat dicairkan dan didinginkan untuk membentuk kaca dengan tetap mempertahankan sebagian pori-pori internalnya. Pori-pori ini membuatnya berguna untuk aplikasi seperti pemisahan gas, membran dan katalisis.
Profesor Sebastian Henke dari TU Dortmund University menjelaskan: “Pendekatan kami terinspirasi oleh cara kaca silikat konvensional dimodifikasi: mengganggu struktur kisi untuk menyesuaikan perilaku leleh dan sifat mekanik.
“Studi kami menunjukkan bahwa prinsip yang sama dapat diterapkan pada kacamata hibrida logam-organik. Kemajuan ini membawa kacamata MOF lebih dekat ke bidang manufaktur dan aplikasi dunia nyata dalam pemisahan gas, penyimpanan, katalisis, dan seterusnya.”
Untuk memahami secara pasti bagaimana zat aditif natrium mengubah bahan tersebut, para peneliti menggunakan teknik analisis tingkat lanjut. Ilmuwan dari Universitas Birmingham yang dipimpin oleh Drs. Dominik Kubicki dan Benjamin Gallant melakukan studi tingkat atom terhadap struktur kaca yang dimodifikasi dan melakukan eksperimen spektroskopi resonansi magnetik nuklir (NMR) keadaan padat suhu tinggi di Fasilitas NMR Solid-State Medan Tinggi Inggris.
Pekerjaan mereka mengungkapkan bagaimana ion natrium berintegrasi ke dalam jaringan kaca dan melemahkan koneksi tertentu dalam struktur.
Pemodelan AI mengungkapkan perubahan pada tingkat atom
Tim lain dari Birmingham, dipimpin oleh Profesor Andrew Morris dan Dr Mario Ongkiko, menggunakan pemodelan komputer berbasis AI untuk membantu menafsirkan data NMR yang kompleks. Simulasi yang dibantu pembelajaran mesin menunjukkan bagaimana natrium berinteraksi dengan kaca pada tingkat atom, sehingga mengkonfirmasi hasil eksperimen.
Gabungan hasil eksperimen dan komputasi menunjukkan bahwa natrium tidak hanya menempati ruang kosong di dalam material. Sebaliknya, beberapa atom natrium menggantikan atom seng, sedikit melonggarkan struktur kaca dan mengubah sifat-sifatnya.
Kini setelah para ilmuwan lebih memahami cara memodifikasi bahan-bahan ini, para peneliti mengatakan diperlukan upaya tambahan untuk meningkatkan stabilitasnya, memprediksi perilakunya dengan lebih akurat, dan mengevaluasi kinerjanya dalam teknologi dunia nyata.
Penelitian ini melibatkan peneliti dari Technische Universität Dortmund, Universitas Birmingham, Ruhr-University Bochum, SRM University-AP, Technical University of Munich dan University of Cambridge.
