“Kopi dan susu menjadi favorit banyak orang untuk memulai hari. Perbedaan komposisi keduanya memberikan cita rasa yang berbeda. Seperti kopi dan susu, interaksi atom dan molekul pada komposisi yang berbeda dapat menghasilkan fenomena yang berbeda.”
Kalimat tersebut menggambarkan salah satu temuan tim peneliti Universitas Airlangga (UA) saat menelaah interaksi antara molekul organik dan hidrogen pada permukaan molibdenum disulfida (MoS2). Penelitian tersebut diketuai oleh Dr. Febdian Rusydi dari Departemen Fisika Universitas Airlangga, dan berkolaborasi dengan peneliti dari beberapa universitas ternama baik di dalam maupun di luar negeri: Osaka University (Jepang), Universitas Dian Nuswantoro (Indonesia), Universiti Teknologi Malaysia (Malaysia), Universiti Kebangsaan Malaysia (Malaysia), dan Institut Teknologi Bandung (Indonesia).
Interaksi molekul organik dan hidrogen menarik untuk dipelajari karena manfaatnya di bidang energi dan lingkungan. Sumber molekul organik seperti minyak kelapa sawit dapat diubah menjadi bahan bakar yang ramah lingkungan (dijuluki green diesel) dengan menghilangkan kandungan atom oksigen pada molekul tersebut. Proses ini disebut hidrodeoksigenasi (HDO) yang dilakukan dengan bantuan gas hidrogen dan katalis MoS2. Sayangnya produksi green diesel secara masal masih pada tahap permulaan. Salah satu tantangan terbesarnya adalah suhu dan tekanan tinggi yang dibutuhkan agar HDO dapat berlangsung. Untuk itu, para peneliti terus menginvestigasi berbagai aspek yang dapat mempengaruhi HDO.
Dengan kepakarannya di bidang simulasi komputasi berbasis mekanika kuantum, Dr. Rusydi mengarahkan timnya untuk menelaah interaksi molekul organik, hidrogen, dan permukaan MoS2 pada level atomik. Simulasi atomistik tersebut dilakukan pada RIVEN, fasilitas komputasi performa tinggi milik Research Center for Quantum Engineering Design, Universitas Airlangga. Dibangun secara mandiri dan bertahap sejak 2017, RIVEN yang saat ini memiliki kekuatan 100 prosessor, memproses lebih dari 500 simulasi yang dibutuhkan dalam penelitian ini.
Karena kekompleksan interaksi yang dikaji, setiap simulasi membutuhkan waktu beberapa hari hingga beberapa pekan. Meski sering mengalami gangguan teknis seperti gangguan listrik dan jaringan internet yang sangat menghambat jalannya simulasi, ditambah kendala mobilitas akibat wabah COVID-19, para peneliti tetap semangat menyelesaikan penelitian ini.
“Interaksi molekul di atas katalis sudah bukan hal baru lagi untuk dipelajari. Banyak pekerjaan terdahulu yang mengkaji interaksi antarmolekul sederhana di atas katalis monometalik. Yang membuat pekerjaan kami unik adalah kerumitan struktur molekul organik yang kami kaji, dan struktur permukaan katalis MoS2 yang merupakan material 2D transition metal dichalcogenides (TMDC) yang memiliki struktur yang unik dibandingkan logam pada umumnya.”, ungkap Dr. Wahyu A. E. Prabowo, salah satu anggota peneliti dari Universitas Dian Nuswantoro, yang juga meneliti katalisis berbasis MoS2 pada masa doktoralnya.
Metil format, sebagai model molekul organik, memiliki enam mode yang berbeda saat teradsorpsi pada permukaan MoS2. Keenam mode adsorpsi tersebut memiliki kekuatan interaksi yang berbeda-beda dengan MoS2. Ada yang interaksinya kuat, ada yang lemah.
Kehadiran atom-atom hidrogen pada permukaan MoS2 secara signifikan memengaruhi keenam mode adsorpsi metil format. Hal ini disebabkan karena gaya elektrostatik yang diberikan atom hidrogen pada metil format. Akibatnya, ada mode adsorpsi metil format yang semakin kuat berikatan dengan MoS2, ada yang sebaliknya.
“Pada konsentrasi atom hidrogen yang tinggi, para peneliti memprediksi bahwa separuh mode adsorpsi metil format akan tereliminasi dari permukaan MoS2 dan tidak dapat mengalami HDO.”
Fenomena yang teramati tersebut memiliki pengaruh yang krusial, baik penelitian lanjutan dari sisi teoretis maupun eksperimen. Dari sisi teoretis, penelitian ini menunjukan pentingnya memperhitungkan semua kemungkinan mode adsorpsi sebuah molekul di atas permukaan katalis, khususnya mode adsorpsi yang paling kuat. Di sisi lain, hasil penelitian ini juga menyarankan perlunya kajian eksperimen mendalam terkait pengaruh perubahan tekanan hidrogen terhadap reaksi HDO.
“Kekompleksan yang kami hadapi dalam penelitian ini memotivasi kami untuk menggunakan teknik machine learning untuk penelitian-penelitian selanjutnya. Penggunaan machine learning akan mempercepat dan memperdalam kajian reaksi kimia pada level atomik.”, ungkap Samuel
E. P. P. Masan, salah satu asisten peneliti yang sedang melaksanakan studi magisternya di Osaka University.
Penulis: Samuel Eka Putra Payong Masan, S.Si.
Hasil dari penelitian ini telah diterbitkan pada journal American Chemical Society – Omega pada awal tahun ini dan dapat diakses secara bebas pada https://doi.org/10.1021/acsomega.2c06888.
Para peneliti berterima kasih kepada Universitas Airlangga yang telah mendanai penelitian ini melalui skema SATU Joint Research Scheme 2021. Skema-skema penelitian seperti ini krusial untuk mempertahankan dan mendorong kemajuan riset di kalangan Universitas Airlangga sebagai salah satu universitas tingkat dunia.
