Metode baru untuk mengukur dan memprediksi kekuatan ikatan hidrogen dalam air terbatas

Sebuah terobosan oleh para peneliti di University of Manchester menyoroti salah satu kekuatan alam yang paling sulit dipahami, dengan implikasi luas untuk kedokteran, energi, pemodelan iklim, dan banyak lagi.

Para peneliti di University of Manchester telah mengembangkan metode inovatif untuk mengukur kekuatan ikatan hidrogen secara tepat dalam sistem air terbatas, kemajuan yang dapat mengubah pemahaman kita tentang peran air dalam biologi, ilmu material, dan teknologi. Karya, diterbitkan di Komunikasi Alam memperkenalkan cara baru yang mendasar untuk memikirkan salah satu interaksi alam yang paling penting tetapi sulit untuk quafikasi.

Ikatan hidrogen adalah kekuatan yang tidak terlihat yang menyatukan molekul air, memberikan air sifat uniknya, dari titik didih yang tinggi hingga tegangan permukaan, dan memungkinkan fungsi biologis kritis seperti lipatan protein dan struktur DNA. Namun terlepas dari signifikansinya, mengukur ikatan hidrogen di lingkungan yang kompleks atau terbatas telah lama menjadi tantangan.

“Selama beberapa dekade, para ilmuwan telah berjuang untuk mengukur kekuatan ikatan hidrogen dengan presisi,” kata Profesor Artem Mishchenko, yang memimpin studi dengan Dr Qian Yang dan Dr Ziwei Wang. “Pendekatan kami membalas ikatan hidrogen sebagai interaksi elektrostatik antara dipol dan medan listrik, yang memungkinkan kami untuk menghitung kekuatan mereka langsung dari data spektroskopi.”

Tim menggunakan gipsum (CASO4 · 2H2O), mineral yang terjadi secara alami yang mengandung dua lapisan air kristal dua dimensi, sebagai sistem model mereka. Dengan menerapkan medan listrik eksternal pada molekul air yang terperangkap di antara lapisan mineral, dan melacak respons getaran mereka menggunakan spektroskopi resolusi tinggi, para peneliti dapat mengukur ikatan hidrogen dengan akurasi yang belum pernah terjadi sebelumnya.

“Yang paling menarik adalah kekuatan prediktif dari teknik ini,” kata Dr Yang. “Dengan pengukuran spektroskopi sederhana, kita dapat memprediksi bagaimana air berperilaku di lingkungan terbatas yang sebelumnya sulit untuk diselidiki, sesuatu yang biasanya membutuhkan simulasi kompleks atau tetap sepenuhnya tidak dapat diakses.”

Implikasinya luas dan menarik. Dalam pemurnian air, metode ini dapat membantu insinyur menyempurnakan bahan membran untuk mengoptimalkan ikatan hidrogen, meningkatkan aliran air dan selektivitas sambil mengurangi biaya energi. Dalam pengembangan obat, ia menawarkan cara untuk memprediksi bagaimana air berikatan dengan molekul dan targetnya, berpotensi mempercepat desain obat yang lebih larut dan efektif. Ini dapat meningkatkan model iklim dengan memungkinkan simulasi transisi fase air yang lebih akurat di awan dan atmosfer. Dalam penyimpanan energi, penemuan ini meletakkan dasar untuk “heterostruktur ikatan hidrogen”, bahan yang direkayasa dengan ikatan hidrogen yang disesuaikan yang dapat secara dramatis meningkatkan kinerja baterai. Dan dalam biomedis, temuan ini dapat membantu menciptakan sensor implan dengan kompatibilitas yang lebih baik dan rentang hidup yang lebih lama dengan mengontrol interaksi permukaan air secara tepat.

“Pekerjaan kami menyediakan kerangka kerja untuk memahami dan memanipulasi ikatan hidrogen dengan cara yang tidak mungkin terjadi sebelumnya,” kata Dr Wang, penulis pertama makalah ini. “Ini membuka pintu untuk merancang bahan dan teknologi baru, dari katalis yang lebih baik hingga membran yang lebih pintar, berdasarkan fisika air yang tersembunyi.”

Penelitian ini diterbitkan dalam jurnal Komunikasi Alam.

Judul Lengkap: Mengukur ikatan hidrogen menggunakan air nanokonfined yang dapat disetel elektrik

Penelitian ini didukung oleh Dewan Penelitian Eropa dan Penelitian dan Inovasi Inggris (UKRI).

National Graphene Institute (NGI) adalah graphene terkemuka dunia dan pusat material 2D, difokuskan pada penelitian mendasar. Berbasis di University of Manchester, di mana Graphene pertama kali diisolasi pada tahun 2004 oleh profesor Sir Andre Geim dan Sir Kostya Novoselov, itu adalah rumah bagi para pemimpin di bidangnya – sebuah komunitas spesialis penelitian yang memberikan penemuan transformatif. Keahlian ini dicocokkan dengan fasilitas terdepan £ 13 juta, seperti ruang bersih kelas 5 dan 6 terbesar di akademisi global, yang memberi NGI kemampuan untuk memajukan aplikasi industri yang mendasari di bidang-bidang utama termasuk: komposit, membran fungsional, bahan boring 2d-toromed, 2d-material yang berbasis 2D.