Para peneliti telah mengembangkan tetesan yang dapat bergerak sendiri yang merespons sinyal kimiawi, meniru perilaku yang terlihat pada sistem biologis. “Tetesan aktif” ini, terbentuk melalui reaksi kimia dan menunjukkan konversi energi, membuka jalan bagi generasi berikutnya dari bahan dan sistem canggih yang terinspirasi oleh proses biologis
Studi yang dipublikasikan di Nature Chemistry, merinci kolaborasi antara para peneliti yang telah merekayasa sistem tetesan yang mampu menggunakan energi kimia untuk bergerak. Mereka mengembangkan sistem tetesan yang memanfaatkan energi kimia untuk bergerak, meniru kemotaksis, yaitu cara organisme bergerak sebagai respons terhadap rangsangan kimia.
Penelitian ini mengeksplorasi kimia disipatif, sebuah bidang yang berfokus pada sistem yang menggunakan energi dari lingkungannya untuk tetap aktif dan terorganisir. Sama seperti organisme hidup yang secara konstan menyerap energi untuk menopang diri mereka sendiri, kimia ini adalah kunci untuk mengembangkan sistem yang dapat berfungsi secara mandiri dan beradaptasi dengan lingkungan mereka, mirip dengan perilaku sel dan mikroorganisme.
Apa yang dimaksud dengan tetesan disipatif?
Tidak seperti kebanyakan sistem yang bertujuan untuk mencapai kondisi stabil dan seimbang, sistem disipatif bersifat dinamis dan jauh dari keseimbangan. Sistem ini terus menerus menyerap dan mengubah energi, sehingga memungkinkannya untuk tetap aktif dan mempertahankan keadaan yang berfungsi dan tidak statis.
Berbagai tetesan aktif ini dibuat dengan menggunakan jaringan reaksi kimia tertentu. Dengan mencampurkan maleic anhydride (sejenis bahan bakar kimia) dan octylamine (molekul organik sederhana) dalam air, para peneliti menciptakan ikatan kimia yang dikenal sebagai amida. Amida ini dapat pecah karena hidrolisis spontan. Sistem ini juga menggunakan karbodiimida, bahan bakar kimia kedua yang mendorong reformasi amida, yang merupakan siklus jaringan reaksi disipatif.
Ketika senyawa amida dan oktilamina berkumpul sendiri, mereka membentuk tetesan dalam larutan. Tetesan ini bukan hanya struktur statis - mereka tumbuh dan menyusut tergantung pada ketersediaan bahan bakar kimia, seperti halnya bagaimana sebuah sel dapat tumbuh atau membelah tergantung pada sumber daya. Proses perakitan sendiri ini adalah kunci dari kemampuan tetesan untuk bergerak.
Bagaimana cara tetesan bergerak?
Salah satu fitur yang paling menarik dari sistem ini adalah bahwa tetesan dapat bergerak menuju bahan kimia tertentu di lingkungannya, sebuah proses yang disebut kemotaksis. Ini adalah perilaku yang biasa terlihat pada organisme hidup, seperti bakteri, yang bergerak menuju makanan atau menjauhi racun.
Dalam kasus ini, para peneliti menambahkan zat yang disebut asam oleat ke permukaan larutan, dan tetesan mulai bergerak ke arahnya. Hal ini dimungkinkan karena adanya komunikasi kimiawi antara tetesan dan asam oleat, yang menghasilkan fenomena yang disebut efek Marangoni. Efek Marangoni menggambarkan pergerakan cairan karena perbedaan tegangan permukaan, yang menyebabkan tetesan “merangkak” melintasi permukaan.
Para peneliti juga dapat mengendalikan seberapa cepat dan berapa lama tetesan akan bergerak dengan menyesuaikan jumlah bahan bakar kimia dalam sistem. Tingkat kendali ini penting karena memungkinkan para ilmuwan untuk menyempurnakan perilaku tetesan.
Mengapa ini penting?
Sekilas, ini mungkin terdengar seperti pencapaian akademis semata, tetapi implikasi dari penelitian ini bisa sangat luas. Tetesan ini merupakan langkah menuju pengembangan material yang dapat bergerak dan berinteraksi dengan lingkungannya dengan cara yang cerdas-seperti halnya organisme hidup.
Sebagai contoh, tetesan aktif ini dapat bertindak sebagai mesin kecil untuk mengangkut kargo, dengan penerapan potensial di berbagai bidang seperti manufaktur, pemantauan lingkungan, dan obat-obatan. Karena tetesan ini terbuat dari bahan kimia sederhana, mereka juga sangat murah untuk diproduksi dan berpotensi dapat digunakan dalam jumlah besar, membuatnya praktis untuk penggunaan di dunia nyata.
Para peneliti juga menyarankan bahwa tetesan tersebut dapat berfungsi sebagai model untuk mempelajari sel primitif, yang dianggap sebagai bentuk kehidupan paling awal di Bumi. Dengan meniru prinsip-prinsip dasar kehidupan-seperti konsumsi energi, perakitan diri, dan pergerakan-para ilmuwan dapat memperoleh wawasan baru tentang bagaimana kehidupan muncul dari molekul-molekul sederhana miliaran tahun yang lalu.
Jenis materi “Hidup” yang baru
Para peneliti menunjukkan bahwa tetesan aktif ini memiliki potensi untuk berfungsi sebagai konverter energi. Dengan menangkap energi kimia dalam bentuk ikatan amida, tetesan-tetesan ini mengubahnya menjadi energi mekanik, yang memungkinkan mereka bergerak. Kemampuan untuk mengubah energi kimia menjadi energi mekanik-seperti yang dilakukan oleh sistem kehidupan-membuka kemungkinan baru untuk menciptakan bahan yang dapat melakukan pekerjaan tanpa sumber daya eksternal.
“Penelitian ini menunjukkan bahwa rakitan disipatif berenergi tinggi dapat bertindak sebagai konverter energi, yang dapat menjadi fondasi untuk mengembangkan berbagai teknologi baru, mulai dari motor skala kecil hingga pola non-kesetimbangan skala makro,” ujar Prof. Liu.
Para peneliti optimis bahwa penemuan ini dapat mengarah pada pengembangan material “hidup” yang tidak hanya dapat bergerak dan tumbuh, tetapi juga mengubah perilakunya berdasarkan lingkungannya-seperti halnya organisme hidup.
Jalan ke depan
Meskipun tetesan yang dikembangkan dalam penelitian ini masih sangat sederhana dibandingkan dengan kompleksitas organisme hidup, penelitian ini merupakan langkah maju yang signifikan dalam bidang sistem buatan yang menyerupai kehidupan. Ketika kami terus mengeksplorasi potensi kimia disipatif dan bahan yang terinspirasi oleh bio, kemungkinannya tampaknya hampir tak terbatas.
Tim peneliti sudah merencanakan langkah selanjutnya. Mereka bertujuan untuk menciptakan jenis material tetesan baru-yang tidak hanya cerdas tetapi juga mampu beradaptasi dengan lingkungannya, membuat keputusan, dan bahkan mungkin berevolusi dari waktu ke waktu. Seperti halnya sel yang bekerja sama untuk membentuk jaringan, dan jaringan membentuk organisme, tetesan ini dapat digabungkan dalam sistem yang lebih besar untuk menciptakan bahan yang lebih kompleks dan dinamis yang mengaburkan batas antara sistem hidup dan tidak hidup.
Singkatnya, penelitian ini membawa kita selangkah lebih dekat untuk menciptakan dunia di mana materi berperilaku dengan cara yang dulu kita pikir hanya dimiliki oleh makhluk hidup. Masa depan kimia, tampaknya, lebih hidup dari sebelumnya.
🔬🧫🧪🔍🤓👩🔬🦠🔭📚
Referensi jurnal
Liu, K., Blokhuis, A. W., Dijt, S. J., Wu, J., Hamed, S., Kiani, A., … & Otto, S. (2024). Molecular-scale dissipative chemistry drives the formation of nanoscale assemblies and their macroscale transport. Nature Chemistry, 1-8. https://doi.org/10.1038/s41557-024-01665-z
