Reaksi kimia dapat terjadi secara spontan. Artinya, reaksi ini terjadi secara alamiah, tidak perlu campur-tangan teknologi. Banyak reaksi yang terjadi secara alamiah di sekitar kita. Contoh paling umum adalah proses pengkaratan. Sebuah besi yang dibiarkan di bawah terik matahari dan hujan lama-lama akan berkarat. Selain terjadi secara alamiah, reaksi spontan melepaskan panas. Dua karakter ini membuat reaksi spontan menjadi reaksi yang ideal untuk aplikasi sensor. Jika reaksi yang terjadi pada sensor adalah reaksi spontan, sensitivitas sensor tinggi dan energi yang dilepas dapat dimanfaatkan untuk hal lain dalam proses sensor tersebut.
Reaksi biologis cenderung terjadi secara spontan. Proses metabolisme, penuaan, perusakan atau perbaikan sel, adalah contoh-contoh proses biologis yang spontan. Karena cenderung spontan ini, elemen-elemen biologis dipakai sebagai elemen dasar sensor. Contoh elemen biologis adalah tisu, mikroorganisme, dan enzim. Sensor yang menggunakan elemen biologis ini disebut biosensor.
Proses spontan dapat dipercepat dengan penggunaan katalis. Sebuah reaksi spontan belum tentu dapat terjadi dengan cepat. Contohnya adalah proses pengkaratan tadi, butuh waktu yang sangat lama proses ini terjadi. Contoh lain adalah proses pembuatan amonia (NH3). Amonia adalah komponen krusial untuk pupuk tanah. Tetapi, sintesis amonia dari nitrogen (N2) dan hidrogen (H2) yang berlangsung spontan butuh waktu yang sangat lama. Tetapi dapat berlangsung sangat cepat dengan kehadiran katalis berupa logam besi.
Reaksi kimia terjadi pada situs aktif katalis. Permukaan aktif katalis berbanding lurus dengan permukaan total katalis. Artinya, semakin luas permukaan katalis, semakin banyak situs aktif, semakin banyak reaksi yang dapat terjadi secara bersamaan. Dengan demikian, katalis tidak hanya sekadar mempercepat reaksi, tetapi juga mningkatkan produksi reaksi. Katalis yang mampu mempercepat banyak reaksi secara simultan disebut katalis dengan efisiensi yang tinggi.
Pada kasus-kasus tertentu, katalis harus dapat menyeleksi reaksi mana yang harus dia percepat. Misalnya pada kasus katalis pada biosensor gas beracun. Katalis dalam biosensor tersebut menerima berbagai macam gas, tetapi dia harus mampu menyeleksi gas mana yang akan dia proses. Kemampuan katalis untuk menyeleksi ini disebut selektivitas.
Salah satu tipe katalis yang memiliki permukaan situs aktif yang luas adalah metal organic frameworks (MOFs). Metalic-organic frameworks adalah senyawa yang dibentuk oleh ionik metal dan molekul organik. Senyawa hasil bentukan ini berbentuk rangka (framework). Framework ini seperti rangka bangunan sebelum diberi dinding dan atap. Rangka-rangka ini menjadi situs aktif. Sedangkan lubang-lubang yang berada di antara rangka berfungsi seperti poros-poros pada spons cuci piring. Reaktan dapat masuk ke dalam poros-poros dan beraksi di sana dengan bantuan katalis dari rangka-rangka di sekitarnya. Daerah situs aktif satu gram metal organic frameworks mencapai 7000 meter kuadrat. Metal organic frameworks sejauh ini adalah katalis dengan permukaan situs aktif terluas yang pernah dibuat manusia.
Selain permukaan situs aktif yang luas, metal organic frameworks juga memiliki kemampuan selektivitas sangat tinggi. Kemampuan ini didapat dari komposisi atom-atom penyusun rangka dan geometri poros yang dapat diatur sesuai dengan kebutuhan reaksi yang diinginkan. Misalnya penggunaan dua metal yang berbeda pada ujung-ujung rangka (disebut juga bimetallic metal organic frameworks). Kehadiran dua metal yang berbeda ini meningkatkan kemampuan selektivitas katalis metal organic frameworks.
Tim riset gabungan ITB, Unair, UGM, dan IPB berkolaborasi mensitesis metal organic frameworks ini. Bahan dasar sintesis metal organic frameworks adalah nikel-kobal gliserat sehingga menghasilkan bimetallic metal organic frameworks. Aplikasi dari metal organic frameworks ini adalah menjadi katalis pada biosensor untuk mendeteksi bakteri salmonella yang membuat makanan menjadi racun bagi tubuh manusia.
Kolaborasi empat tim ini mengintegrasikan tiga pekerjaan berbeda. Tim ITB dan IPB mengerjakan sintesis material. Tim UGM mengerjakan sampel-sampel bakteri salmonella dan organik-organik pendukung. Sedangkan tim Unair, yang dimotori oleh Research Center for Quantum Engineering Design, Departemen Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, mengerjakan simulasi reaksi yang terjadi antara di atas katalis.
Salah satu hasil kolaborasi ini adalah sebuah manuskrip yang fokus pada persiapan sintesis. Manuskrip tersebut telah diterbitkan di IOP Journal of Physics: Conference Series, DOI: 10.1088/1742-6596/2243/1/012107. Publikasi ini sebelumnya telah dipresentasikan dalam Asian Physics Symposium ke-9, yang dilakukan secara daring, tahun 2021 yang lalu. Publikasi ini berjudul “Preparation of Bimetallic Metal-organic Framework Derived from Spherical Ni-Co Glycerate Tempate” dengan penulis Muhammad Zimamul Adli, Irzaman, Widagdo Sri Nugroho, Febdian Rusydi, dan Nugraha.
Lebih jauh, kerja sama metal organic frameworks antara ITB dan Unair sudah dimulai sejak tahun 2017. Departemen Fisika telah mengadakan simposium internasional pada 28-29 November 2017 dengan pembicara utama Prof. Kyle E. Cordova, dari University of California Barkley. Prof. Cordova saat itu masih bekerja bersama Prof. Omar M. Yaghi. Prof. Yaghi adalah kimiawan pioner kimia retikular yang menjadi cikal metal organic frameworks. Seminar ini diliput oleh Warta Unair dengan taut https://news.unair.ac.id/2017/11/29/fst-unair-dorong-pengembangan-nanotechnology-dan-nanoscience-dengan-simposium-internasional/?lang=id .
Penulis: Febdian Rusydi, S.T., M.Sc., Ph.D.
Jurnal: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1742-6596/2243/1/012107/meta
