

Kredit: King's College London
BERLIN — Dalam inovasi ilmiah yang memukau, para peneliti telah mengungkap bentuk cahaya baru yang menjanjikan untuk merevolusi cara kita melihat dunia pada tingkat yang paling kecil. Bayangkan seberkas cahaya yang menari dan berputar seperti balet kosmik, mampu membedakan antara bayangan cermin molekuler dengan presisi yang belum pernah ada sebelumnya. Ini bukan fiksi ilmiah — ini adalah realitas terobosan dari “cahaya topologi kiral,” sebuah penemuan yang akan menerangi jalan ke depan dalam berbagai bidang mulai dari pengembangan obat hingga ilmu lingkungan.
Inti dari terobosan ini adalah konsep kiralitas, yaitu sifat yang memberikan molekul “keberpihakan” pada tangan, seperti tangan kiri dan kanan kita. Kembaran molekul ini, yang dikenal sebagai enantiomermungkin tampak identik pada pandangan pertama, tetapi perbedaan kecilnya dapat berarti perbedaan antara obat yang menyelamatkan nyawa dan zat yang berbahaya. Hingga saat ini, mendeteksi variasi kecil ini merupakan tantangan, yang sering kali memerlukan ukuran sampel yang besar dan kondisi yang sangat terkontrol.
Di sinilah pusaran kiral berperan. Struktur cahaya yang sama sekali baru ini menelusuri kurva kiral dari waktu ke waktu, menciptakan pola pusaran yang memukau. Pendekatan inovatif ini, yang dirinci dalam sebuah studi yang diterbitkan dalam Fotonik Alammenggabungkan prinsip kiralitas dan topologi untuk menciptakan berkas cahaya yang tidak hanya sangat sensitif tetapi juga sangat stabil dalam menghadapi gangguan di dunia nyata.


“Pengukuran kiralitas tradisional telah berjuang untuk mengidentifikasi konsentrasi molekul tangan kanan dan tangan kiri dalam sampel yang mengandung jumlah keduanya yang hampir sama. Dengan metode baru kami, sedikit kelebihan dalam konsentrasi salah satu cermin kembar dapat dideteksi, seperti ketika sampel tersebut 49% tangan kanan dan 51% tangan kiri,” kata Dr. Nicola Mayer, seorang peneliti pascadoktoral di Max Born Institute dan Marie Skłodowska-Curie Actions Research Fellow di King's College London, dalam rilis media.
Dalam industri farmasi, di mana identifikasi struktur molekul yang tepat dapat menentukan keberhasilan atau kegagalan obat baru, cahaya topologi kiral menawarkan tingkat sensitivitas yang menyaingi dan terkadang melampaui teknik standar emas saat ini. Ilmuwan lingkungan dapat menggunakan teknologi ini untuk mendeteksi sejumlah kecil polutan dengan akurasi yang belum pernah ada sebelumnya, sementara ahli kimia dapat membuka wawasan baru tentang reaksi biokimia yang kompleks.
Yang membedakan cahaya topologi kiral bukan hanya sensitivitasnya, tetapi juga ketahanannya. Sifat topologi yang tertanam dalam berkas cahaya memastikan bahwa metode deteksi tetap stabil bahkan dalam kondisi yang kurang ideal — faktor penting untuk aplikasi di dunia nyata di mana pengaturan laboratorium yang sempurna merupakan kemewahan.
“Sinyal-sinyal ini juga dapat memberikan gambaran sekilas tentang bagaimana elektron bergerak di dalam molekul pada kecepatan alaminya, pemahaman ini dapat menjadi dasar untuk membentuk perilaku elektron dan bahkan pada akhirnya memengaruhi reaksi kimia dengan cahaya,” imbuh Dr. Mayer.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Para peneliti menggunakan jenis cahaya khusus, yang disebut cahaya topologi kiral, yang memiliki sifat memutar unik yang dapat berinteraksi secara berbeda dengan molekul berdasarkan bentuknya (kidal atau kanan). Mereka menciptakan cahaya ini dengan menggabungkan dua berkas cahaya dengan polarisasi melingkar yang berlawanan—satu berputar searah jarum jam dan yang lainnya berlawanan arah jarum jam. Berkas cahaya difokuskan sedemikian rupa sehingga menghasilkan gerakan memutar dalam medan listrik, membentuk pola yang dikenal sebagai pusaran kiral.
Pusaran ini berinteraksi dengan molekul, yang memungkinkan para peneliti mendeteksi perbedaan yang sangat kecil dalam bentuk (kiralitas) molekul. Dengan menggunakan simulasi kompleks dan model matematika, mereka mengamati bagaimana sinar cahaya mengubah respons molekuler, sehingga menciptakan metode yang sangat sensitif untuk mendeteksi bahkan sejumlah kecil satu jenis molekul dalam suatu campuran.
Kunci Hasil
Para peneliti menemukan bahwa cahaya topologi kiral dapat mendeteksi perbedaan kecil antara molekul kidal dan kanan, bahkan ketika dicampur dalam proporsi yang sangat kecil. Cahaya unik tersebut menciptakan pola berbeda yang dapat dilihat ketika molekul berinteraksi dengannya. Pola ini berubah berdasarkan jumlah setiap jenis molekul yang ada.
Metode yang mereka kembangkan mampu mendeteksi perbedaan-perbedaan ini dengan presisi yang sangat tinggi, sehingga memungkinkan untuk mengidentifikasi konsentrasi kecil molekul-molekul kidal atau kanan yang mungkin terlewatkan oleh teknik-teknik lain. Mereka bahkan mampu menemukan perbedaan-perbedaan hanya dengan perbedaan persentase yang kecil dalam campuran, yang menunjukkan betapa efektifnya metode ini.
Keterbatasan Studi
Pertama, pengaturan ini memerlukan sinar cahaya yang sangat terkontrol, dan bahkan ketidaksempurnaan kecil dalam polarisasi atau intensitas cahaya dapat memengaruhi hasil. Selain itu, teknik ini bergantung pada peralatan canggih yang mungkin tidak tersedia di semua laboratorium, sehingga sulit diterapkan di setiap tempat penelitian.
Meskipun metode ini bekerja dengan baik untuk mendeteksi sejumlah kecil molekul kidal dan kanan dalam lingkungan terkontrol tertentu, metode ini mungkin kurang efektif dalam skenario dunia nyata di mana sampel lebih kompleks atau terkontaminasi. Terakhir, simulasi yang mereka gunakan memerlukan daya komputasi tingkat tinggi, yang dapat membatasi aksesibilitasnya bagi beberapa peneliti.
Diskusi & Kesimpulan
Temuan dari penelitian ini membuka kemungkinan baru untuk mendeteksi kiralitas molekuler dengan presisi yang belum pernah ada sebelumnya. Cahaya topologi kiral menyediakan cara yang kuat untuk mengamati perbedaan antara molekul kidal dan kanan, yang sangat penting dalam bidang seperti farmasi, di mana bentuk molekul dapat menentukan efeknya.
Metode ini menawarkan alat baru untuk spektroskopi enantiosensitif, sehingga memudahkan pendeteksian variasi kecil yang mungkin terlewatkan oleh metode tradisional. Dengan menanamkan sifat topologi ke dalam cahaya, para peneliti telah menunjukkan cara baru untuk meningkatkan akurasi dan keandalan deteksi molekuler. Namun, penerapan teknik ini dalam aplikasi sehari-hari akan memerlukan pengembangan lebih lanjut dan mengatasi tantangan teknis saat ini.
Pendanaan & Pengungkapan
Penelitian ini menerima dukungan finansial dari beberapa lembaga terkemuka. Khususnya, penelitian ini didanai oleh program European Union Horizon 2020 (Hibah no. 899794) dan European Research Council (ERC, ULISSES, Hibah no. 101054696). Dukungan tambahan datang dari Royal Society berdasarkan berbagai nomor hibah. Tidak ada kepentingan finansial yang saling bertentangan yang dinyatakan oleh para penulis, yang memastikan objektivitas dan integritas penelitian. Para penulis juga mengucapkan terima kasih kepada Max-Born Institute for Nonlinear Optics and Short Pulse Spectroscopy karena telah menyediakan pendanaan akses terbuka, yang memastikan penyebaran karya mereka secara luas.