Spiral kecil mengungkap dunia interaksi cahaya-materi yang belum pernah terlihat sebelumnya

Representasi artistik aktivitas optik hiper-Raman: cahaya terpelintir (heliks merah) yang mengenai molekul yang tersusun pada perancah heliks (titik putih) menghasilkan spektrum hamburan hiper-Raman (bercak cahaya warna-warni) yang mengekspresikan 'kiralitas' (bercak dalam pola spiral dan cermin pecah). (Kredit: Ventsislav Valev dan Kylian Valev)

BATH, Inggris — Terkadang, hal-hal yang tidak dapat kita lihat ternyata memperlihatkan dunia kepada kita dengan cara yang tidak pernah kita bayangkan. Itulah yang terjadi setelah sekelompok detektif ilmiah berhasil melakukan hal yang setara dengan menangkap petir dalam botol. Dipimpin oleh fisikawan di University of Bath, kelompok peneliti internasional ini telah membujuk cahaya itu sendiri untuk mengungkap rahasia yang tersembunyi dalam struktur materi. Penemuan mereka terdengar seperti sesuatu yang diambil dari novel fiksi ilmiah, tetapi implikasinya sangat nyata dan mendebarkan.

Dari mengungkap obat palsu hingga mengendus polutan lingkungan, dari melestarikan karya seni yang tak ternilai hingga merintis diagnostik medis baru, terobosan ini menjanjikan untuk merevolusi cara kita mengintip ke dalam dunia mikroskopis. Dan apa yang menarik? Semuanya bergantung pada teori yang lebih tua dari banyak ilmuwan yang baru saja membuktikannya dengan benar.

Untuk memahami maknanya, kita perlu memulai dengan beberapa dasar tentang bagaimana cahaya berinteraksi dengan molekul.

Ketika cahaya menyinari molekul, sebagian besar cahaya memantul tanpa berubah. Namun, untuk setiap satu juta partikel cahaya (foton), satu partikel berubah warna. Perubahan ini, yang dikenal sebagai Efek Ramanmembantu para ilmuwan mengidentifikasi molekul dan memahami status energinya. Namun, beberapa fitur molekuler tetap tidak terlihat oleh teknik ini.

Memasuki hamburan hiper-RamanFenomena yang lebih canggih ini terjadi ketika dua foton secara bersamaan mengenai sebuah molekul dan bergabung untuk menciptakan satu foton yang tersebar dengan perubahan warna. Hyper-Raman memiliki beberapa keunggulan dibandingkan hamburan Raman biasa: ia dapat menembus lebih dalam ke jaringan hidup, lebih kecil kemungkinannya untuk merusak molekul, dan menghasilkan gambar yang lebih jelas dengan lebih sedikit noise latar belakang.

Meskipun ada manfaat ini, hiper-Raman belum mampu mempelajari sifat penting dari banyak molekul biologis: kiralitas. Kiralitas mengacu pada “keberpihakan” atau kesan terpelintirnya molekul, mirip dengan struktur heliks DNA. Banyak biomolekul penting, termasuk protein, RNA, gula, dan beberapa vitamin, menunjukkan kiralitas.

Teori berusia 45 tahun yang mengungkap 'cahaya' atas penemuan tersebut

Pada tahun 1979, peneliti David L. Andrews dan Thiruiappah Thirunamachandran berteori bahwa penggunaan cahaya kiral untuk hamburan hiper-Raman dapat mengungkap informasi tiga dimensi tentang molekul, termasuk kiralitasnya. Namun, efek ini, yang dijuluki “aktivitas optik hiper-Raman,” diperkirakan sangat halus sehingga banyak ilmuwan meragukannya dapat diukur.

Tim yang dipimpin Bath mengambil pendekatan inovatif untuk mengatasi tantangan ini. Alih-alih mencoba mengukur efek secara langsung dari molekul kiral, mereka menggunakan metode tidak langsung. Mereka menyimpan molekul nonkiral ke nanoheliks emas kecil – struktur berbentuk spiral yang lebarnya sekitar 100 kali lebih kecil dari lebar rambut manusia. Nanoheliks ini secara efektif mentransfer puntirannya (kiralitas) ke molekul.

“Sementara upaya sebelumnya bertujuan untuk mengukur efek secara langsung dari molekul kiral, kami mengambil pendekatan tidak langsung,” jelas Profesor Ventsislav Valev dari University of Bath, yang memimpin penelitian tersebut, dalam pernyataannya. “Kami menggunakan molekul yang tidak kiral dengan sendirinya, tetapi kami membuatnya kiral dengan menyusunnya pada perancah kiral. Secara khusus, kami menyimpan molekul pada nanoheliks emas kecil yang secara efektif memberikan puntiran (kiralitas) pada molekul tersebut.”

Pendekatan cerdik ini memiliki manfaat tambahan. Nanoheliks emas bertindak sebagai antena kecil, memfokuskan cahaya ke molekul dan memperkuat sinyal hiper-Raman, sehingga dapat dideteksi.

Apa arti aktivitas optik hiper-Raman bagi masa depan

Demonstrasi aktivitas optik hiper-Raman yang sukses membuka kemungkinan baru yang menarik untuk analisis molekuler. Hal ini dapat membantu perusahaan farmasi menganalisis dan mengontrol kualitas obat, membantu mengidentifikasi produk palsu, mendeteksi obat-obatan terlarang dan bahan peledak di tempat kejadian perkara atau pos pemeriksaan bea cukai, dan mengungkap polutan dalam sampel lingkungan.

Dalam dunia seni, teknik ini dapat membantu konservasi dan restorasi lukisan dengan mengungkap komposisi pigmen. Peneliti medis dapat menggunakannya untuk mendeteksi perubahan molekuler akibat penyakit untuk tujuan diagnostik.

Profesor Emeritus Andrews dari University of East Anglia, salah satu ahli teori pertama yang meramalkan efek ini, menyatakan kepuasannya dengan hasil tersebut: “Sangat menggembirakan melihat karya eksperimen ini akhirnya mengonfirmasi prediksi teoritis kami, setelah bertahun-tahun. Tim dari Bath telah melakukan eksperimen yang luar biasa.”

Meskipun terobosan ini menandai tonggak penting, masih ada jalan panjang yang harus ditempuh sebelum aktivitas optik hiper-Raman menjadi alat analisis standar. Para peneliti menantikan perjalanan ini, berkolaborasi dengan Renishaw PLC, produsen spektrometer Raman yang terkenal di dunia, untuk lebih mengembangkan dan menyempurnakan teknik ini.

Penemuan seperti ini mengingatkan kita akan potensi besar yang masih menunggu untuk digali dalam dunia sains molekuler. Dengan menyediakan cara baru untuk “melihat” molekul, penelitian ini membuka jalan yang menarik bagi eksplorasi ilmiah dan inovasi teknologi di berbagai bidang.

“Karya penelitian ini merupakan kolaborasi antara teori kimia dan fisika eksperimental selama beberapa dekade dan melibatkan akademisi dari semua tingkatan – dari mahasiswa PhD hingga Profesor Emeritus,” kata Valev. “Kami berharap karya ini akan menginspirasi ilmuwan lain dan akan meningkatkan kesadaran bahwa kemajuan ilmiah sering kali membutuhkan waktu puluhan tahun.”