Kategori Nobel

Mahasiswa program Master Universitas Osaka, Jepang

Tahun 2007 ini penghargaan Nobel Kimia diberikan kepada Gerhard Ertl atas penelitiannya di bidang surface chemistry (kimia permukaan). Ketika suatu molekul dari fasa gas mengenai permukaan zat padat, ada berbagai kemungkinan yang dapat terjadi. Molekul tersebut dapat dipantulkan kembali atau dapat juga diadsorbsi. Hal yang menarik adalah jika molekul gas tersebut diadsorbsi oleh permukaan zat padat. Interaksi dengan atom dari permukaan zat padat tersebut dapat terjadi dengan sangat kuat, sehingga molekul gas terdisosiasi menjadi bentuk atomnya. Kemungkinan ketiga yang dapat terjadi dari interaksi gas dengan permukaan zat padat adalah molekul yang telah teradsorbsi sebelumnya bereaksi dengan molekul lain yang sebelumnya telah teradsorbsi pada permukaan zat pada tersebut dan terjadi reaksi kimia kedua pada permukaan zat padat tersebut.

Image yang paling umum ketika menganalogikan seorang ahli kimia adalah seorang peneliti di lab yang sedang mencampur larutan senyawa kimia dalam tabung reaksi sehingga menghasilkan senyawa/larutan dengan karakteristik warna yang baru. Hal tersebut memang banyak dan sering dilakukan oleh seorang ahli kimia, tapi perlu ada hal lain yang diketahui mengenai apa dan bagaimana reaksi kimia berlangsung. Beberapa diantara reaksi kimia yang penting tidak berlangsung dalam bentuk larutan, tetapi reaksi berjalan dalam wujud/bentuk yang berbeda.

Salah satu cabang dari ilmu kimia mempelajari secara lebih dalam mengenai reaksi pada permukaan zat padat, dan pada cabang kimia tersebut tabung kimia tidak banyak digunakan. Bidang ini menggunakan tehnologi yang lebih advance seperti vacuum chambers, mikroskop elektron, dan cleanrooms. Tehnologi dengan level tinggi ini dikombinasikan juga dengan metodologi tingkat tinggi dan presisi yang sangat tinggi.

Untuk melakukan penelitan terhadap bagaimana perilaku molekul dan atom di atas permukaan padat tidak dapat dilakukan dalam waktu singkat dan membutuhkan biaya yang tidak sedikit. Meski demikian mengapa para ahli kimia rela mengorbankan waktu dan uang demi mempelajari reaksi tersebut? Jawabannya adalah, karena reaksi kimia permukaan memegang peranan yang sangat penting baik itu di bidang industri maupun reaksi yang terjadi di alam. Pengetahuan di bidang kimia permukaan dapat membantu menjelaskan berbagai proses seperti mengapa besi berkarat, bagaimana pupuk buatan diproduksi, bagaimana katalis pada pipa knalpot mobil bekerja serta mengapa melalui reaksi kimia pada permukaan kristal es pada stratosfer lapisan ozon menjadi semakin parah. Pengetahuan di bidang reaksi kimia permukaan juga dapat membantu kita untuk dapat memproduksi bahan bakar yang dapat di daur ulang secara lebih efisien serta dapat membantu kita untuk dapat membuat material baru untuk perangkat elektronik.

Perkembangan kimia permukaan moderen
Perkembangan di bidang kimia permukaan modern dimulai sekitar tahun 1960-an, semenjak ditemukannya tehnologi vakum yang dikembangkan di industri semikonduktor. Gerhard Ertl -- peraih penghargaan nobel kimia tahun 2007 ini -- merupakan salah satu orang yang pertama menyadari potensi dari tehnologi tersebut. Ertl diberi penghargaan nobel kimia atas usahanya dalam mengunakan metode tersebut diatas sebagai fondasi dari seluruh riset yang dilakukannya.
Hal dan reliabilitas yang luar dari hasil penelitian yang diperoleh Ertl adalah tingkat presisi yang sangat tinggi serta dikombinasikan dengan kemampuannya dalam memurnikan produk hasil reaksi. Ertl telah mampu bekerja secara detail dan sistematis dalam mencari tehnik eksperimen yang paling baik dalam menginvestigasi berbagai masalah yang ada dalam bidang ini.

Bekerja secara eksperimen dengan bidang kimia permukaan ini merupakan hal yang sangat sulit, karena permukaan tersebut sangat reaktif dan sulit untuk dijaga agar tetap bersih (agar reaksi dapat diamati secara spesifik). Tetapi Ertl telah mampu memberikan tehnik dengan presisi tinggi dengan mengaplikasikan sistem vakum level tinggi yang penting untuk penelitian ini.

Dalam udara terbuka, segala jenis permukaan zat padat akan segera tertutupi oleh molekul yang terdapat dalam gas yang ada disekelilingnya.
Gerhard Ertl pertamakali mempelajari perilaku gas hidrogen pada permukaan metal.

Pupuk buatan dari Nitrogen
Pada percobaan selanjutnya, Ertl mencoba melakukan penelitan terhadap proses Haber-Bosch (dimana proses utamanya adalah mengikat Nitrogen bebas dari udara), yang merupakan langkah dasar dalam memproduksi pupuk buatan. Reaksi ini secara komersial merupakan reaksi yang sangat penting, dimana salah satu penyebab utama rendahnya produksi panen adalah dikarenakan kekurangan Nitrogen.

Pada tahun 1918, Fritz Haber diberi penghargaan nobel kimia atas jasanya menemukan proses Haber-Bosch. Kontribusi Ertl dalam bidang ini adalah dalam menyediakan pengetahuan secara detail mengenai bagaimana proses tersebut berjalan.
Tetapi diatas semua ini, hasil pekerjaan Ertl mengenai proses Haber-Bosch adalah dalam konteks yang dihubungkan sebagai salah satu contoh mengenai metodologi sistematik yang telah diaplikasikan pada masalah kimia permukaan.

Dalam proses Haber-Bosch, Nitrogen -- yang merupakan komponen penting dalam udara -- bereaksi dengan hidrogen untuk membentuk amonia. Hal tersebut merupakan langkah pertama dan langkah yang paling sulit dalam memproduksi pupuk buatan. Agar reaksi ini berjalan diperlukan keberadaan katalis, dan disinilah kimia permukaan memainkan peranan pentingnya.
Katalis yang digunakan dalam proses Haber-Bosch adalah besi yang didistribusi secara merata pada seluruh permukaan sebagai support. Baik Nitrogen dan Hidrogen, keduanya menempel pada permukaan besi (dengan cara seperti ini, Nitrogen dan Hidrogen bereaksi satu dengan yang lainnya secara lebih mudah. Salah satu pertanyaan penting yang muncul ketika Ertl melakukan eksperimen ini adalah “tahap mana yang berjalan paling lambat pada proses ini?”. Untuk meningkatkan proses secara keseluruhan tentu saja Ertl berfikir untuk mempercepat tahap reaksi yang berjalan paling lambat.

Untuk menginvestigasi proses Haber-Bosch, Ertl menggunakan sistem ideal, dimana permukaan besi yang bersih dan merata yang di simpan dalam vacuum chamber, dimana Ertl dapat memasukkan berbagai gas yang jumlahnya dapat dikontrol. Ketika nitrogen menyentuh permukaan besi, Ertl mengamati bahwa nitrogen masih berada dalam bentuk molekul N2 (1-3). Ikatan antara dua atom Nitrogen merupakan salah satu ikatan yang terkuat dalam ilmu ikatan kimia. Setelah molekul Nitrogen menempel dengan permukaan besi, lalu kedua atom nitrogen tersebut akan memutuskan ikatannya dan lebih memilih untuk berikatan dengan permukaan besi (proses ini membutuhkan waktu) (4).
Sementara, molekul Hidrogen berdisosiasi semenjak awal dan menempel pada permukaan besi dalam bentuk atomnya (1-2).

Ertl melakukan kalkulasi untuk menghitung konsentrasi atom nitrogen pada permukaan besi, dan secara simultan menambahkan hidrogen kedalam sistem. Ertl menemukan bahwa konsentrasi atom nitrogen pada permukaan besi akan semakin berkurang seiring dengan penambahan atom hidrogen kedalam sistem.
Dari hal tersebut diatas, Ertl menyimpulkan bahwa atom nitrogen pada permukaan besi akan hilang karena bereaksi dengan hidrogen. Hal ini menunjukkan bahwa langkah pertama dari reaksi pada proses Haber-Bosch terjadi antara hidrogen dan atom nitrogen. Jadi, molekul nitrogen akan lebih memilih untuk berikatan terlebih dahulu dengan permukaan besi dan membentuk atom nitrogen sebelum bereaksi dengan hidrogen.

Untuk menghitung konsentrasi Nitrogen pada permukaan besi bukanlah merupakan suatu hal yang mudah. Untuk dapat membedakan antara atom nitrogen dari molekul nitrogen, Ertl menggunakan berbagai metode spektroskopi. Dasar dari semua metode tersebut adalah membombardir permukaan dengan partikel (baik itu partikel cahaya seperti foton ataupun elektron bebas).
Metode lain yang dapat digunakan untuk menginvestigasi konsentrasi Nitrogen pada permukaan adalah dengan mempelajari struktur permukaan itu sendiri. Hal ini mungkin dilakukan karena struktur permukaan akan sedikit termodifikasi ketika permukaan besi tersebut berikatan dengan nitrogen. Dalam metode ini, Ertl menggunakan metode yang melibatkan bombardir permukaan dengan elektron yang kemudian dipantulkan dengan pola yang spesifik. Pola tersebut yang menunjukkan struktur dari permukaan besi tersebut.

Poin penting yang diperoleh dari metoda-metoda diatas adalah bahwa dalam bidang kimia permukaan ini sangat sulit sekali untuk meyakinkan apa yang diamati dalam eksperimen kimia permukaan. Sedikit saja keberadaan pengotor (impurity) dalam sistem akan segera berikatan dengan permukaan (tidak sama seperti dalam larutan dimana pengotor akan segera larut). Dengan kata lain, permukaan harus segera diinvestigasi dengan menggunakan berbagai cara untuk meyakinkan bahwa gambar yang diperoleh tidak terdistorsi oleh kontaminan.

Pemutusan ikatan molekul Nitrogen adalah tahap yang paling lama
Untuk meningkatkan proses Haber-Bosch secara keseluruhan, maka langkah pemutusan ikatan molekul Nitrogen yang berjalan paling lambat ini harus dapat ditingkatkan/dipercepat.
Dalam proses Haber-Bosch, penambahan Kalium sebagai katalis merupakan salah satu cara untuk mempercepat proses Haber-Bosch. Ertl dalam hal ini telah mampu menunjukkan secara detail mengenai alasan mengapa penambahan Kalium dapat mempercepat proses.

Pemutusan ikatan molekul Nitrogen berjalan lebih lambat dari langkah-langkah lainnya dalam reaksi. Setelah ikatan nitrogen diputus, langkah reaksi lainnya berjalan dengan sangat cepat, dimana tidak mungkin untuk dapat mengamati langkah apa yang terjadi sampai semua amonia terbentuk dan lepas dari permukaan.

Gerhard Ertl
Fritz-Haber-Institut der Max-Planck-Gesellschaft
Germany

Sumber: Information and scientific background on the Nobel Prize in Chemistry 2007