FULLERENA : Struktur Sangkar Kristal Karbon Multiguna

Jumlah atom-atom karbon dalam kulitnya dapat berubah-ubah, atas alasan inilah banyak struktur karbon yang telah ditemukan. Semula ada enam bentuk padatan elemen karbon yang diketahui, yaitu 2 jenis Grafit, 2 jenis Intan, Chaoit dan Karbon VI. Dua bentuk yang disebut terakhir ditemukan pada tahun 1968 (Chaoit) dan tahun 1972 (Karbon VI).

Lebih dari dasawarsa kemudian ditemukan kembali bentuk baru dari elemen Karbon yang dinamakan Fullerena dimana di dalamnya atom-atom akan tersusun dalam kulit-kulit yang berdekatan. Penemuan tersebut adalah hasil kolaburasi tiga orang ilmuwan yaitu Robert F. Curl, Harold W. Kroto dan Richard E. Smalley.

Fullerena terbentuk ketika uap Karbon berkondensi di dalam sebuah atmosfer gas inert. Gas Karbon dapat diperoleh dengan mengarahkan pulsa intensitas sinar laser pada permukaan Karbon. Atom-atom Karbon yang dilepaskan dicampur dengan suatu aliran gas Helium dan bergabung membentuk cluster-cluster yang jumlahnya bisa sampai seratus atom. Kemudian gas dilewatkan dalam ruang vakum di mana gas tersebut akan mengembang dan mendingin pada beberapa derajat diatas nol derajat absolut. Cluster-cluster Karbon tersebut dapat dianalisis dengan spektroskopi massa.

Dengan sebuah eksperimenyang baik mereka dapat memproduksi cluster dengan 60 atom Karbon dan cluster dengan 70 atom Karbon. Yang paling banyak C60. Mereka menemukan bahwa C60 mempunyai tingkat kestabilan tinggi. Dari fenomena ini diduga bahwa C60 mempunyai bentuk molekul dengan kesimetrian yang besar. Diduga pula bahwa C60 berbentuk sebuah bujursangkar icosahedron terpotong, yaitu sebuah polyhedron dengan 20 permukaan heksagonal (6-sudut) dan 12 permukaan pentagonal (5-sudut). Struktur tersebut sama persis dengan pola stadion sepakbola di Eropa, yang berwujud kubah geodetik yang didesain oleh arsitek AS, R. Buckmeinster Feller.

Rumusan tersebut pertamakali dipublikasikan dalam jurnal "Nature". Tentu saja ada pro-kontra di kalangan para ilmuwan. Tidak ada yang mengharapkan bahwa bentuk Karbon tersebut sungguh sangat simetris, berbeda dari struktur yang telah diketahui. Kemudian Fisikawan Kratschmer dan D.R. Huffman pertamakali memproduksi sejumlah C60 yang isolabil dengan jalan menyemburkan percikan api diantara dua batang grafit, untuk membakar atmosfer Helium dan mengeksfraksi kondensat Karbon dengan menggunakan pelarut organik. Mereka mendapatkan campuran C60  dan C70 dengan struktur yang dapat ditetapkan. Ini mengkonfirmasi kebenaran hipotesa C60. Cara ini terbuka untuk mempelajari sifat-sifat Kimia C60 dan kelompok Karbon yang lain, seperti C70, C76, C78 dan C84.

Banyak Substansi baru diproduksi dari sanyawa-senyawa ini dengan sifat-sifat yang baru dan secara tidak diduga sebuah cabang baru ilmu Kimia berkembang. Konsekuensinya dalam bermacam-macam area seperti astrokimia, superkonduktivitas, Kimia/Fisika Bahan.

Kolaburasi yang berhasil

Penemuan fellerena berawal dari riset Harold W. Kroto tentang spektroskopi gelombang mikro, sebuah bidang sains yang berhubungan dengan radioastronomis yang dapat digunakan untuk menganalisa gas-gas di angkasa, dalam atmosfer bintang dan dalam awan gas antar bintang. Dia menemukan dan menyelidiki garis-garis spectrum dalam atmosfer bintang dan menemukan cyanopoline, sejenis molekul rantai dari Karbon dan Nitrogen.

Sementara itu Richard Smalley sedang sibuk dalam meneliti kimia Kluster, bagian penting dalam Kimia Fisika. Smalley mendesain dan membuat sebuah perlengkapan gelombang laser supersonik kluster yang dapat menguapkan hampir semua material menjadi atom plasma serta mempelajari desain dan distribusi kluster. Dia sangat tertarik pada kluster atom logam, seperti logam semikonduktor.

Melalui pengetahuannya bersama Robert Curl, Kroto mempelajari bahwa mungkin dapat memakai instrumen Smalley untuk mempelajari penguapan dan formasi kristal karbon, yang akan memberi bukti bahwa senyawa Karbon rantai panjang bisa jadi telah terbentuk dalam bagian yang panas dari atmosfer bintang. Dalam eksperimen dibuktikan adalah mungkin untuk mempengaruhi secara drastis ukuran distribusi kluster karbon terutama C60 dan C70 yang muncul sebagai magic number. Karena rantai karbon yang panjang inilah muncul ide bahwa kluster C60 mungkin memiliki struktur icisahedron terpotong karena stabilitasnya diperkirakan sesuai dengan kulit terdekat dengan sebuah struktur simetris yang tinggi.

Untuk memperoleh klasifikasi yang lebih jauh, mereka melanjutkan investigasi atas C60. Mereka mencoba membuatnya bereaksi dengan senyawa-senyawa lainnya.

Gas-gas seperti Hidrogen, NO₂, CO₂, SO₂, O₂ atau ammonia yang disuntikan ke aliran gas, tetapi tidak ada pengaruh terhadap puncak C60 yang direkam di spectrometer massa.

Ini menunjukkan bahwa C60 merupakan senyawa yang lambat bereaksi. Juga kemungkinan atom karbon lain (40-80) juga lambat bereaksi.

Sejalan dengan C60 atom-atom tersebut juga seharusnya cocok dengan struktur tertutup menyerupai sangkar. Ini sesuai dengan Jukum Euler, bahwa polygon dengan n tepi yang lebih besar dari 22, setidaknya ada satu polygon dapat dikonstruksikan sebagai 12 pentagon dan n-2/2 heksagon, secara sederhana dikatakan mungkin dengan 12 pentagon dengan tanpa atau lebih dari satu hexagon untuk membentuk polyhedron. Untuk n besar banyak struktur tertutup dapat terjadi juga untuk C60.

Kombinasi kelembaman Kimia dalam kluster dengan jumlah atom karbon yang ssama dan kemungkinan bahwa kesemuanya memiliki struktur tertutup, kesesuaian dengan Hukum Euler, menimbulkan dugaan bahwa semua kelompok karbon seharusnya memiliki struktur tertutup, inilah yang dinamakan Fullerena.

C60 dan Logam

Karena strukturnya yang berlubang dengan ruang untuk 1 atau lebih atom lain, percobaan dibuat untuk menyisipkan atom logam. Sebuah lembaran Grafit direndam dengan larutan garam logam (LaCl₃) dan dilakukan percobaan vaporasi-kondensasi. Analisis dengan spectrometer massa terhadap kelompok-kelompok yang terbentuk menunjukkan adanya fotoresistan, yaitu iradiasi dengan pulsa sinar laser tidak memindahkan atom logam. Ini memperkuat dugaan bahwa atom logam dapat terperangkap dalam struktur sangkar.

Kemungkinan memproduksi kluster dengan atom logam yang disisipkan dapat tercermin dalam eksperimen perangkap menyusut yaitu Ion yang sejenis digabungkan dalam perangkap magnetic dan disinari laser. Dihasilkan bahwa gelombang laser menyebabkan sangkar karbon menyusut denga dua atom karbon pada suatu waktu. Pada ukuran Karbon tertentu ketika tekanan atom logam dalam menjadi besar fragmentasi akan berhent. Kulit kemudian menyusut sehingga sesuai dengan sekeliling atom logamnya.

Kegunaan yang beragam

Bagi kimiawan struktur tersebut adalah unik dan memuaskan. Ini sesuai denga sebuah aromatis tiga dimensi, siste, dimana ikatan tunggal dan rangkap bergantian. Hal-hal seperti ini berakar pada penelitian kimia organic yaitu memproduksi molekul dengan kesimetrisan yang tinggi dan kemudian mempelajari sifat-sifatnya. Bagian-bagian platonic berfungsi sebagai pola dan hidrokarbon telah disintesis sebagai tetrahidral, cubic dodecahedral.

Semua cabang Kimia telah mengembangkan ilmu untuk memanipulasi struktur dullerena dan sifat-sifatnya dapat dipelajari secara sistematis. Mungkin untuk memproduksi superkonduktor dari garam C60, polymer baru 3 dimens, katalis baru, dan benda-benda elektrik dan optik, sensor dan lain-lain. Juga dimungkinkan untuk memproduksi pipa pembuluh denga ujung tertutup, nanotube juga dibuat dengan cara yang sama seperti fullerena.

Dari sudut pandang teoritis penemuan fullerena telah mempengaruhi konsepsi tentang problema sains, seperti lingkaran karbon galaktika dan aromatis Klasik.

Disarikan dari Noble prize for chemistry press realease, 1996

Menelusuri Rahasia Sintesis ADENOSIN TRIFOSFAT

Karl Lehmann, seorang ahli kimia asal Jerman menemukan ATP pada tahun 1929. Struktur dari ATP dijelaskan beberapa tahun kemudian, dan pada tahun 1948 penerima Nobel untuk 1957 asal Skotlandia, Alexander Todd mensintesis ATP secara kimiawi. Satu peran penting yang dimainkan oleh penerima Nobel tahun 1953, Fritz Lipman ketika selama tahun 1939-1941 ia memperlihatkan bahwa ATP adalah pembawa energi universal dalam sel dan membuat ungkapan "ikatan fosfat kaya energi".

Fungsi ATP adalah sebagai pembawa energi dalam tubuh organisme hidup mulai dari bakteri dan jamur sampai tumbuhan dan hewan termasuk ke dalamnya manusia. ATP menangkap energi yang dilepaskan oleh pembakaran nutrisi dan mentransfernya untuk reaksi-reaksi yang membutuhkan energi seperti membangun komponen-komponen sel, kotraksi otot, mentransmisikan pesan-pesan syaraf, dan banyak kegunaan lainnya. ATP mengatur peredaran energi di dalam sel.

Adenosin trifosfat terdiri dari nukleosida adenosin yang dihubungkan dengan tiga kelompok fosfat. Pada pemindahan gugus fosfat terbesar, adenosin difosfat (ADP) dibentuk pada waktu yang bersamaan dengan energi yang terbebaskan mampu digunakan untuk reaksi-reaksi lain. Sebaliknya dengan bantuan energi, sebuah fosfat anorganik dapat digabungkan ke ADP untuk membentuk ATP. Sejumlah besar ATP dibentuk dan dikonsumsi. Sebagian terbesar, sintesis dapat terdiri oleh peranan enzim sintesisi ATP. Na⁺, K⁺, ATPase, ketiganya dipergunakan dalam pembentukan ATP.

Sepanjang tahun 1940 dan 1950 telah terjelaskan bahwa sejumlah besar ATP dibentuk dalam respirasi sel di mitokondria dan fotosintesis di kloroplas dari tumbuhan. Pada tahun 1960 ilmuwan Amerika Efraim Racker dan sejawatnya melakukan isolasi dari mitokondria, enzim "F0,F1 ATPase" yang sekarang dikenal sebagai ATP sintase. Enzim bias dibagi ke dalam suatu bagian F1 yang mencakup pusat katalitik dan bagian F0 berpasangan dengan bagian F1 untuk membran. Enzim yang sama juga terdapat pada kloroplas dari bakteri. Pada tahun 1961 Peter Mitchel mengungkapkan apa yang disebut sebagai Hipotesis Kimiosmotik yang menjadikannya menerima Nobel pada 1978. Dia menunjukkan bahwa respirasi sel mengarahkan pada suatu perbedaan dalam konsentrasi ion Hidrogen (pH) di dalam dan di luar membran mitokondria, dan bahwa aliran ion-ion Hidrogen mengontrol formasi dari ATP. Aplikasi yang sama juga berlaku untuk membran kloroplas. Pemasangan ATP sintase ke dalam ion transport Hidrogen melalui bagian F0.

Paul D. Boyer memulai studinya terhadap formasi ATP pada permulaan tahun 1950, masih sangat aktif sebagai seorang ilmuwan. Ketertarikannya terutama untuk menemukan dengan tehnik isotop, bagaimana fungsi ATP sintase dan terutama kepada bagaimana dia menggunakan energi untuk membuat kembali ATP baru. Pekerjaannya mandapatkan hasil yang luar biasa pada akhir-akhir tahun. ATP sintase memiliki ragam fungsi yang luar biasa untuk sebuah enzim, dan ini membutuhkan waktu dan studi yang keras untuk menetapkannya secara pasti.

John E. Walker, memulai studinya pada awal 1980-an. Dia memulai dengan point bahwa untuk mengetahui fungsi ATP sintase dibutuhkan pengetahuan tentang ditail kimia dan pengetahuan tentang struktur dari sebuah enzim. Kemudian dia menentukan bahwa asam amino berbaris dengan konstituen unit protein. Selama tahun1990 dia bergabung dengan seorang kristalografer untuk mengklarifikasi struktur tiga dimensi dari ATP sintase. Sejauh ini struktur dari enzim F1 sedang ditetapkan secara pasti. Pekerjaan Walker melengkapi pekerjaan Boyer dengan cara yang luar biasa. Selanjutnya studi didasarkan pada struktur yang telah didemonstrasikan dalam mekanisme yang diusulkan  oleh Boyer.

Gambar halaman didepan menunjukkan struktur ATP yang telah disederhanakan. Pada bagian F0 ion-ion H⁺ terlokalisasi dalam membran. Bagian F1 yang mensintesis ATP berada di luar membran. Ketika hidrogen mengalir menembus membran lewat piringan C yang merupakan subunit dalam bagian F0. Subunit γ dalam bagian F1 menggabungkan diri ke piringan dan selanjutnya ikut berputar bersamanya. Tiga subunit α dan tiga subunit β dalam bagian F1 tidak dapat berputar. Mereka terkunci dalam sebuah posisi tertentu oleh subunit β. Kemudian subunit γ berputar dalam silinder yang tersusun oleh 6 subunit α dan β. Sub unit γ asimetri memaksa subunit β mengalami perubahan struktur. Ini mengarah subunit β mengikat ATP dan ADP dengan membuat perbedaan tegangan.

Seperti yang telah disebutkan diatas, ATP sintase terdiri atas ikatan membran bagian F0 dimana ion transport hidrogen dan sebuah bagian yang menonjol (F1) yang dapat dibebaskan dari membran. Bagian F0 terdiri dari 3 tipe subunit dengan kode yang berbeda. protein a (1), protein b (2), dan protein c (g-12). Bagian F1 terdiri dari 5 subunit, yaitu α, β, γ, δ, dan ε. Dimana ada 3 bagian dari α dan β, kemudian 1 bagian dari masing-masing unit yang lain. Ini menunjukkan bahwa di unit β merupakan tempat terjadinya ATP. Analisis terhadap barisan asam amino yang dilakukan oleh Walker dan rekan-rekannya pada permulaan tahun 1980 menunjukkan bahwa subunit α, β, dan ε, adalah tidak simetris, sebuah penampakan yang amat penting untuk pemahaman kita terhadap bagaimana fungsi-fugsi ATP sintase.

Studi yang lebih mendetail mengenai ATP sintase adalah mengenai bagian F1 dan bagaimana fungsinya. Boyer dan rekannya menjelaskan bahwa fungsi enzim merupakan sesuatu yang istimewa. Mereka menemukan bahwa langkah yang membutuhkan energi bukanlah sintesis ATP dari ADP dan fosfat anorganik, melainkan bahwa energi dibutuhkan untuk mengikat ADP dan fosfat koenzim dan untuk membebaskan ATP. Dalam keadaan ini, ATP sintase dari kebanyakan enzim, yang mengikat dan membebaskan substrat dan produk secara spontan melainkan kepada seluruh reaksi yang membebaskan energi. Observasi selanjutnya adalah untuk menemukan penjelasan tentang karakter asimetris dari F1, hanya ada satu jalan bagi enzim untuk bereaksi. Namun bagaimana bisa kemudian fungsi ketiga subunit β berada pada jalan yang sama apabila mereka mempunyai ikatan yang berbeda. Subunit α, β, dan ε berputar dalam formasi silinder untuk bergantian berhubungan dengan subunit α dan β. putaran ini menghasilkan perubahan struktur dalam unit β yang mengarahkan keperbedaan dalam kemampuan ikatan sepanjang aliran siklik (gambar 2). Mekanisme ini disebut "mekanisme perubahan ikatan Boyer". Dia juga mengusulkan bahwa rotasi ini di kontrol oleh aliran-aliran ion hidrogen menembus membran.

Mekanisme Perubahan Ikatan Boyer

Gambar di atas menjelaskan mekanisme yang diusulkan Boyer, silinder di atas bergantian berhubungan dengan subunit α dan β dalam 4 langkah dari sintesis ATP. Subunit asimetris γ yang menimbulkan perubahan dalam struktur subunit β biasa dilihat dari pusat. Struktur tersebut terdiri dari βo, β1,dan  βt. Pada tahap A, kita lihat formasi molekul ATP terikat ke βt, di langkah B, kita lihat βl mengikat ADP dan fosfat. Di langkah C, kita lihat subunit γ memiliki lapisan yang tertembus oleh aliran ion hidrogen. Ini membawa perubahan dalam struktur dari ketiga subunit γ memiliki lapisan yang tertembus oleh aliran ion hidrogen. Ini membawa perubahan dalam struktur dari ketiga subunit β. βt sekarang menjadi terbuka dan ikatan ATP dihasilkan. βl menjadi βt, dan βo menjadi βl. Di langkah terakhir dari reaksi kimia terjadi dalam langkah dimana ion fosfat bereaksi dengan ADP untuk membentuk molekul ATP yang baru. Kemudian kita kembali ke langkah awal.

Boyer menyebutkan ATP sintase adalah mesin molekuler. Bagian F0 merupakan rodanya, sementara aliran protein seperti air terjun dan perubahan struktur dalam F1 mengarahkan ketiga koin dalam peredaran ATP. Menjadi pencetak koin untuk memutar roda. Walker menjelaskan kondisi struktural dan mesin enzim molekular dan menverifikasikebenaran mekanisme Boyer.

Struktur kristalografi bagian F1 telah ditentukan melalui kolaborasi dari dua orang ilmuwan, yaitu J.P. Abraham asal Inggris, menunjukan secara bagian-perbagian bahwa subunit α dan β berhubungan dalam penentuan struktur dan evolusi. Juga bahwa mereka memiliki struktur yang jelas berbeda dan kemampuannya yang berbeda untuk mengikat ADP dan ATP. subunit γ ditempatkan seperti sebuah poros asimetris dalam silinder yang terbentuk oleh 3 subunit α dan β, dan memiliki kontak unit dengan unit β dan menggerakkan permukaan aktif mereka untuk menyusun struktur-struktur tiga dimensi yang berlainan. Hasil ini dapat diinterpretasikan.

Menurut mekanisme Boyer untuk mengetahui fungsi-fungsi enzim lewat rotasi dari subunit γ adalah sulit untuk mendemonstrasikan roda rotasi secara eksperimental, namun untuk beberapa grup sudah berhasil dilakukan saat ini.

Wolfgang Jungle di Jerman menggunakan teknik spektroskopi dan ilmuwan dari Amerika Richard Cross menggunakan ikatan silang kimia. Sementara itu sebuah grup ilmuwan Jepang di bawah pimpinan Masasuke Yoshida telah berhasil dalam memvisualisasikan rotasi dalam bagian F1 dari ATP sintase. Mereka menggabungkan sebuah serat dari protein otot aktin ke subunit γ, dan unit-unit β digabungkan ke substratum. Dengan bergantung kepada konsentrasi ATP dalam suasana cair adalah mungkin untuk menunjukkan di bawah mikroskop bagaimana serat aktin berputar dalam kecepatan yang semakin meningkat dengan meningkatnya konsentrasi ATP.

disarikan dari Nobel Lectures; Noble e-museum