Kristal kecil yang tampak bening di laboratorium bisa menyimpan potensi besar bagi teknologi masa depan. Salah satunya adalah kristal hibrida organik–anorganik 4‑methylanilinium dihydrogen phosphate (4‑MADHP) yang menjadi fokus penelitian tim yang melibatkan akademisi Universitas Airlangga, Dr. Angga Dito Fauzi, dengan kolaboratornya, Dr. A. Suvitha dari CMR Institute of Technology, India. Melalui kombinasi eksperimen dan perhitungan teoretis, tim peneliti menunjukkan bahwa kristal ini tidak hanya stabil secara struktural, tetapi juga berpotensi digunakan pada perangkat optik nonlinier dan bahkan sebagai kandidat molekul bioaktif.

Apa Itu Kristal Hibrida 4‑MADHP?

Kristal 4‑MADHP adalah garam hibrida yang menggabungkan kation organik 4‑methylanilinium dengan anion dihidrogen fosfat dalam satu struktur kristal. Di dalamnya, komponen organik dan anorganik disatukan oleh jaringan ikatan hidrogen kuat tipe O–H···O dan N–H···O yang membentuk kerangka tiga dimensi yang kokoh. Bahan hibrida seperti ini menarik karena dapat memadukan kelebihan dunia organik (fleksibilitas, kemudahan modifikasi kimia) dan anorganik (kestabilan, kekuatan mekanik). ​

Kristal 4‑MADHP ditumbuhkan dengan metode penguapan pelan larutan, menghasilkan kristal tunggal bening berbentuk prisma. Struktur atomiknya kemudian ditentukan menggunakan difraksi sinar‑X kristal tunggal, yang mengungkap bahwa kristal ini tersusun dalam sistem ortorombik dengan pengemasan yang simetris dan teratur. Lapisan anorganik fosfat yang saling terhubung oleh ikatan hidrogen diikat oleh lapisan organik bermuatan, sehingga membentuk susunan lamelar hibrida. ​

Mengintip Jaringan Ikatan “Tak Kasat Mata”

Untuk memahami bagaimana molekul dalam kristal saling berinteraksi, peneliti menggunakan analisis Hirshfeld surface dan fingerprint plot. Metode ini memvisualisasikan zona kontak antarmolekul dan menunjukkan bahwa kontribusi terbesar berasal dari interaksi O–H…O dan H…H, masing‑masing sekitar 42% dan 39% dari total kontak. Peta warna merah, putih, dan biru pada permukaan Hirshfeld menandai daerah kontak dekat, jarak sekitar jari‑jari van der Waals, dan kontak yang lebih jauh, sehingga memudahkan identifikasi peran ikatan hidrogen dan gaya van der Waals dalam menstabilkan kristal.

Melalui analisis kerangka energi (energy framework), interaksi‑interaksi ini diterjemahkan ke dalam “jaringan silinder energi” yang menghubungkan pusat molekul. Warna dan tebal tipisnya silinder menggambarkan kuat‑lemahnya interaksi, dari ikatan hidrogen yang kuat hingga gaya van der Waals yang lemah. Pendekatan ini membantu menjelaskan mengapa susunan tiga dimensi 4‑MADHP stabil sekaligus cukup “lunak” secara mekanik karena masih menyisakan rongga (~12% volume sel satuan) dalam struktur. ​

Bentuk Kristal dan Artinya Bagi Teknologi

Bentuk luar kristal (morfologi) tidak sekadar soal estetika; ia menentukan bidang mana yang dominan berinteraksi dengan lingkungan dan cahaya. Dengan metode BFDH dan perhitungan energi “attachment”, peneliti memprediksi wajah kristal yang paling menguasai permukaan, yaitu bidang (020) dengan kontribusi lebih dari sepertiga—bahkan hingga sekitar 74% jika dilihat dari morfologi pertumbuhan. Bidang ini memiliki energi attachment paling rendah, menandakan bahwa pertumbuhan kristal paling mudah terjadi di arah tersebut. ​

Dominasi bidang (020) berimplikasi langsung pada aplikasi optik, karena bidang inilah yang paling luas tersedia sebagai permukaan interaksi dengan gelombang cahaya atau antarmuka perangkat. Sementara itu, bidang lain seperti (111) dan (021) tetap berkontribusi tetapi dengan energi attachment yang lebih tinggi, sehingga pertumbuhannya lebih terhambat dan luas permukaannya lebih kecil. ​

Sifat Elektronik dan Optik Nonlinier

Di sisi teoretis, geometri molekul 4‑MADHP dioptimasi menggunakan metode DFT dan MP2 dengan basis 6‑311G(d,p), lalu dibandingkan dengan data difraksi sinar‑X. Hasilnya menunjukkan kesesuaian yang baik: perbedaan kecil pada panjang ikatan dapat dipahami karena perhitungan dilakukan pada molekul terisolasi, sedangkan eksperimen mengukur molekul dalam keadaan padat. Analisis orbital molekul terdepan (HOMO–LUMO) menghasilkan celah energi sekitar 5,73 eV, menandakan molekul yang cukup stabil namun masih mampu mengalami eksitasi optik. ​

Selanjutnya, sifat optik nonlinier (nonlinear optical, NLO) dikaji melalui perhitungan polarisabilitas dan hiperpilarisabilitas serta tensor generasi harmonik kedua (second harmonic generation, SHG). Nilai‑nilai yang diperoleh menunjukkan bahwa 4‑MADHP merespons medan listrik cahaya dengan cukup kuat, sehingga menjadikannya kandidat menarik untuk aplikasi fotonik seperti penggandaan frekuensi laser dan perangkat optik berkecepatan tinggi. Visualisasi tensor NLO dan fungsi lokalisasi elektron (ELF/LOL) juga menyoroti daerah di mana elektron terdelokalisasi dan jalur polarisasi yang relevan untuk proses optik nonlinier.

Dari Kristal Optik Ke Calon Molekul Obat

Menariknya, penelitian ini juga mengeksplorasi potensi biologis 4‑MADHP melalui studi molecular docking terhadap beberapa protein target, termasuk protease utama SARS‑CoV‑2 (6LU7) dan kinase Plasmodium falciparum (5E16). Hasil docking menunjukkan energi pengikatan sekitar −6,2 hingga −6,9 kcal/mol, disertai jaringan ikatan hidrogen, interaksi hidrofobik, dan kontak elektrostatik yang spesifik di kantong aktif enzim. Hal ini mengindikasikan bahwa 4‑MADHP dapat menempel cukup kuat pada situs penting protein, meskipun tentu masih memerlukan uji biologis lebih lanjut sebelum dapat dipertimbangkan sebagai kandidat terapeutik. ​

Secara keseluruhan, 4‑MADHP tampil sebagai material multifungsi: stabil secara struktural, memiliki morfologi yang terkontrol, respons optik nonlinier yang menjanjikan, dan indikasi awal potensi bioaktivitas. Studi ini memperlihatkan bagaimana rekayasa kristal hibrida organik–anorganik dapat membuka jalan bagi material generasi baru yang mampu menjembatani dunia fotonik dan biomedis sekaligus. ​

Penulis: Angga Dito Fauzi, S.Si., M.Si.