Ketika tereksitasi dari keadaan dasarnya (abu-abu) ke Status 3Q0 (biru), CH3I dengan cepat menemukan pilihan. 1/4 dari molekul CH3I menyeberang ke keadaan 1Q1 (merah muda), yang berdisosiasi menjadi radikal metil (CH3-) ditambah keadaan dasar atom Iodium (-I), 3/4 sisanya tetap dalam keadaan 3Q0, yang menghasilkan CH3- ditambah -I*, yaitu Iodium dalam keadaan tereksitasi. Walaupun hasilnya sudah diketahui dengan baik, percobaan pada skala waktu ultracepat dari keputusan molekuler diperlukan untuk mengungkap rincian dinamikanya (atas jasa baik Kristina Chang).
Ini adalah sebuah lagi artikel termutakhir yang akan sangat menarik bagi para pembelajar sains, berupa kemajuan dalam pengembangan sebuah spektroskop cepat berteknologi paling baru yang digunakan untuk mengungkap rahasia dinamika kimia biomolekul, yang saya yakin belum bisa ditemukan dalam buku teks mana pun.
Yang paling menarik adalah bagaimana Johanna Miller, penulis artikel yang kontennya saya jadikan acuan untuk menulis artikel ini, menggambarkan biomolekul itu sebagai makhluk hidup yang bisa mengambil keputusan dalam waktu yang sangat singkat.
Kapankah Sebuah Molekul Mengambil Keputusan?
Pengukuran-pengukuran dengan laser yang lebih cepat sedang membuka rahasia dinamika kimia yang telah lama dicari. Ketika sebuah molekul mencapai sebuah titik dalam ruang konfigurasinya di mana energi-energi dari 2 keadaan kuantum bersilangan, molekul itu memiliki pilihan: melanjutkan 1 keadaan, atau menyeberang ke keadaan yang lain.
Memahami apa yang terjadi di persimpangan itu, yang dikenal sebagai persimpangan kerucut (conical intersection), telah menjadi tantangan lama dalam fisika kimia.
Dalam beberapa sistem molekuler, sebagian besar molekul mepikolakukan peralihan, sedangkan sebagian besar molekul lagi tidak. Tidak ada cara yang bisa diandalkan untuk memprediksi sistem yang mana yang berlaku.
Masalahnya adalah bahwa semua itu terjadi demikian cepat. Elektron-elektron dan nuklei  sama-sama tersusun ulang dengan cepat di persimpangan kerucut itu. Gerakan elektron-elektron dan nuklei itu menjadi sangat bersejolian (coupled), dan aproksimasi Born-Oppenheimer, prinsip bahwa derajat kebebasan nuklir dan elektronik bisa diperlakukan secara terpisah, tidak bisa diaplikasikan.
Itu karena aproksimasi Born-Oppenheimer merupakan fondasi dari hampir semua kalkulasi kimia kuantum konvensional, dan para ahli teori hanya memiliki sedikit alat untuk  menguraikan tentang dinamika di persimpangan kerucut itu.
Kajian-kajian eksperimental pada skala-skala waktu yang demikian cepat itu tidak jauh lebih mudah. Sekarang, Kristina Chang dari Universitas Kalifornia, Berkeley, 2 penasihatnya, Daniel Neumark dan Stephen Leone, dan rekan-rekan mereka telah mengembangkan sebuah sistem laser ultracepat yang bisa secara langsung mengamati molekul yang melewati persimpangan kerucut.
Dalam sebuah eksperimen pada prototipe molekul metil iodida (CH3I, lihat foto judul beserta keterangannya) yang dipelajari secara luas, mereka mengukur skala waktu yang dipilih oleh molekul. Hasil eksperimen itu sangat sesuai dengan apa yang diprediksi oleh para ahli teori untuk sistem itu 2 tahun yang lalu, sebuah tanda yang menjanjikan bahwa para ahli teori dan peneliti sama-sama sedang dalam perjalanan untuk memahami keputusan-keputusan molekuler.
Pilihan Hidup
Persimpangan kerucut dianggap penting untuk banyak cara di mana molekul-molekul mengkonversi atau memanfaatkan energi, terutama pada makhluk hidup. Contohnya antara lain fotosintesis, penglihatan manusia, dan mekanisme DNA untuk melawan kerusakan akibat sinar ultraviolet (UV).
Alam telah mengembangkan sebuah kode genetik yang hanya terdiri dari 4 basa DNA, yaitu adenin, sitosin, guanin, dan timin. Ada banyak molekul lain yang bisa dengan mudah masuk ke dalam dobelheliks DNA.
Sebagai contoh, 2-aminopurin secara struktural identik dengan adenin, kecuali untuk penempatan gugus -NH2, dan 2-aminopurin berpasangan dengan timin seperti halnya adenin.
Tampaknya alam lebih memilih adenin ketimbang 2-aminopurin, tergantung pada bagaimana molekul-molekul itu merespons sinar UV.
Ketika adenin menyerap foton UV, sebuah kejadian yang sering terjadi di dunia kita yang diterangi matahari, adenin kembali ke keadaan dasarnya dalam 1 pikodetik, sedangkan 2-aminopurin membutuhkan waktu puluhan ribu kali lebih lama.
Semakin lama sebuah molekul tetap dalam keadaan tereksitasi, semakin besar pula peluang energi eksitasi untuk memulai reaksi yang bisa menyebabkan sebuah mutasi genetik.
Sebenarnya, para ahli biologi kadang-kadang menggunakan 2-aminopurin sebagai pengganti adenin dalam percobaan ketika mereka ingin menginduksi mutasi dengan sengaja.
Masa hidup adenin yang singkat dalam keadaan tereksitasi disebabkan oleh persimpangan kerucut yang secara efisien menyalurkan molekul-molekul dari keadaan tereksitasi ke keadaan dasar.
Jadi, tidak berlebihan jika dikatakan bahwa kehidupan di bumi seperti yang kita ketahui selama ini dipengaruhi oleh persimpangan kerucut itu.
Akan tetapi penyaluran molekul-molekul antar keadaan itu bukan hanya karena persimpangan yang berbentuk kerucut. Bagaimanapun, sebuah molekul bisa melewati persimpangan kerucut dan tetap berada dalam keadaan yang sama seperti semula.
Pemahaman yang lebih lengkap tentang persimpangan kerucut diperlukan untuk menjelaskan mengapa biomolekul-biomolekul berperilaku seperti itu, tetapi karena biomolekul-biomolekul itu sendiri memiliki banyak derajat kebebasan yang rumit, maka para peneliti yang mempelajari persimpangan kerucut sering fokus pada CH3I, salah sebuah  molekul organik paling sederhana dengan hanya 4 ikatan kimia yang berbeda satu sama lainnya.
Spektroskopi Cepat
Dinamika dasar CH3I sudah diketahui dengan baik. Ketika molekul tereksitasi dengan sinar UV pada sekitar 277 nm, ikatan Karbon-Iodium (K-I) selalu terputus. Dari atom I yang baru dibebaskan, sekitar 1/4nya terbentuk dalam keadaan dasarnya, dan 3/4 sisanya berada dalam keadaan tereksitasi, yaitu -I*. Setiap ekses energi memasuki vibrasi maupun rotasi CH3- atau energi kinetik dari kedua fragmen itu saat mengalami pemisahan.
Laboratorium Neumark dan Leone berspesialisasi dalam kimia ultracepat, kajian tentang penataan ulang nuklei atom pada skala waktu femtodetik (lihat Physics Today, December 1999, hlm. 19) dan pergerakan elektron pada skala waktu attodetik (lihat Physics Today, April 2003, hlm. 27).
Pada 2014, Neumark dan Leone dan Annelise Beck, yang ketika itu masih seorang mahasiswi, mengembangkan teknik spektroskopi absorpsi transien attodetik untuk menyelidiki gerak molekuler yang cepat.
Banyak Attodetik Lainnya
Banyak teknik attodetik lainnya yang rumit untuk ditafsirkan (sebagai contoh, lihat Physics Today, January 2018, hlm. 18). Kontrasnya, spektroskopi absorpsi transien sangat mirip dengan spektroskopi absorpsi dari bentuk lain mana pun.
Dengan mendeteksi energi cahaya datang mana yang diabsorpsi oleh sampel, para peneliti menyimpulkan keadaan molekuler seperti apa yang dikandung oleh sampel itu. Karena cahaya datang adalah sebuah pulsa yang berlangsung hanya dalam hitungan attodetik, maka pengukuran bisa dilakukan dengan presisi temporal yang sangat baik.
Catatan:
pikodetik   = 0,000000000001 (10^-12) detik
femtodetik = 0,000000000000001 (10^-15) detik
attodetik   = 0,000000000000000001 (10^-18) detik
Kepustakaan
1. Miller, Johanna, When does a Molecule Make up Its Mind?, Physics Today, August 2021, hlm. 14-15.
2. Diary Johan Japardi.
3. Berbagai sumber daring.
Jonggol, 26 Agustus 2021
Johan Japardi
