Sebuah tim peneliti dari Jülich bekerja sama dengan Universitas Magdeburg telah mengembangkan metode baru untuk mengukur potensial listrik sebuah sampel dengan akurasi pada tingkat atom. Menggunakan cara konvensional sangat menyulitkan untuk secara kuantitatif mencatat potensial listrik yang terjadi di sekitar molekul atau atom. Metode pemindaian menggunakan mikroskop quantum dot yang disajikan dalam jurnal Nature Materials oleh para ilmuwan dari Forschungszentrum Jülich bersama dengan mitra dari dua lembaga lainnya, dapat membuka peluang baru untuk pembuatan sebuah chip atau karakterisasi secara biomolekul seperti DNA.
Inti atom positif dan elektron negatif yang merupakan bagian dari semua materi, menghasilkan medan potensial listrik yang saling mengisi dan saling mengimbangi, bahkan dalam jarak yang sangat pendek. Metode konvensional tidak memungkinkannya pengukuran secara kuantitatif pada bidang-bidang yang sangat kecil ini, yang bertanggung jawab terhadap berbagai sifat dan fungsi bahan-bahan pada skala nano. Hampir semua metode yang telah mapan mampu menggambarkan potensi tersebut didasarkan pada pengukuran gaya yang disebabkan oleh muatan listrik. Namun gaya ini sulit dibedakan dari gaya lainnya yang terjadi pada skala nano, sehingga mempersulit dilakukan pengukuran secara kuantitatif.
Namun, empat tahun yang lalu, para ilmuwan dari Forschungszentrum Jülich menemukan sebuah metode berdasarkan prinsip yang sama sekali berbeda. Pemindaian mikroskop quantum dot meliputi pelekatan sebuah molekul organik – quantum dot – pada ujung sebuah mikroskop gaya atom – quantum dot adalah partikel kecil atau nanokristal dari bahan semikonduktor dengan diameter dalam kisaran 2-10 nanometer. Molekul ini kemudian berfungsi sebagai probe.
“Molekulnya sangat kecil sehingga kita dapat menempelkan masing-masing elektron dari ujung mikroskop gaya atom pada molekul secara terkendali,” jelas Dr. Christian Wagner dari Institut Peter Grünberg Jülich. Mikroskop gaya atom adalah sejenis mikroskop dengan resolusi sangat tinggi di mana resolusinya bisa mencapai seperbilangan nanometer, 1000 kali lebih kuat dari batas difraksi optik.
Para peneliti segera menyadari betapa menjanjikannya metode itu dan mengajukan permohonan paten. Namun, penerapan secara praktis masih jauh untuk diimplematasikan. “Awalnya, itu hanyalah sebuah efek mengejutkan yang terbatas dalam penerapannya. Semuanya telah berubah sekarang. Kita tidak hanya dapat memvisualisasikan medan listrik masing-masing atom dan molekul, kita juga dapat mengukurnya dengan tepat,” jelas Wagner. “Hal ini telah dikonfirmasi oleh sebuah perbandingan dengan perhitungan teoretis yang dilakukan oleh kolaborator kami dari Luksemburg. Selain itu, kami dapat mencitrakan area besar sebuah sampel dan dengan demikian sekaligus menunjukkan berbagai struktur nano. Dan kami hanya perlu satu jam untuk memperoleh gambarnya secara detail.”
Para peneliti Jülich telah bertahun-tahun menyelidiki metode ini dan akhirnya mengembangkan teori yang koheren. Perolehan gambar yang sangat tajam disebabkan efek yang dimungkinkan oleh ujung mikroskop untuk tetap berada pada jarak yang relatif besar dari sampelnya, kira-kira dua hingga tiga nanometer.
Dalam konteks ini, penting untuk mengetahui bahwa semua elemen sampel dapat menghasilkan medan listrik yang memengaruhi quantum dot sehingga dapat terukur. Ujung mikroskop bertindak sebagai pelindung yang membasahi bidang yang mengganggu dari area sampel yang jauh. “Dengan demikian, pengaruh medan listrik yang terlindung berkurang secara eksponensial, dan quantum dot hanya mendeteksi secara langsung area di sekitarnya,” jelas Wagner.
Christian Wagner dengan model molekul PTCDA, yang berfungsi sebagai quantum dot.[Credit: Forschungszentrum Jülich / Sascha Kreklau]
Para peneliti Jülich memberikan kecepatan di mana permukaan sampel lengkap dapat diukur kepada mitra mereka dari Otto von Guericke University Magdeburg. Insinyur di sana mengembangkan pengontrol yang membantu mengotomatiskan urutan pemindaian sampel yang kompleks dan berulang. “Cara kerja mikroskop gaya atom agak mirip dengan pemutar rekaman,” kata Wagner.
“Pergerakan ujung mikroskop melintasi sampel dan menyatukan gambar secara lengkap dari permukaannya. Namun, dalam pemindaian mikroskop quantum dot sebelumnya, kami harus pindah ke setiap lokasi pada sampel, mengukur spektrumnya, pindah ke lokasi berikutnya, mengukur spektrumnya kembali, dan seterusnya, untuk menggabungkan pengukuran ini menjadi sebuah gambar. Dengan pengontrol dari insinyur Magdeburg, kita sekarang dapat memindai seluruh permukaan, seperti menggunakan mikroskop gaya atom biasa. Meskipun dulu kami membutuhkan waktu 5-6 jam untuk satu molekul, tapi kami sekarang dapat mencitrakan area sampel dengan ratusan molekul hanya dalam satu jam.”
Namun, ada beberapa kelemahannya. Persiapan yang dilakukan sebelum pengukuran membutuhkan banyak waktu dan tenaga. Molekul yang berfungsi sebagai quantum dot untuk pengukuran, harus diletakkan pada ujung mikroskop terlebih dahulu — dan ini hanya mungkin dilakukan dalam ruang hampa udara dengan suhu yang rendah. Sebaliknya, mikroskop gaya atom normal bekerja pada suhu ruangan, tanpa perlu ruang hampa udara atau persiapan yang rumit.
Namun, Prof. Stefan Tautz, direktur PGI-3, optimis: “Ini tidak harus menghalangi pilihan kami. Metode kami masih baru, dan kami bersemangat untuk proyek pertama sehingga kami dapat menunjukkan apa yang sebenarnya dapat dilakukan.”
Ada banyak bidang aplikasi untuk mikroskop quantum dot. Karakterisasi biomolekul adalah salah satunya. Berkat jarak yang relatif besar antara ujung dan sampel, metode ini juga cocok untuk permukaan kasar — seperti permukaan molekul DNA, dengan struktur 3-D yang khas.
