Teknologi baru, tiga ilmuwan mengeksplorasi semua cara alami untuk membuat cahaya

Ini adalah salah satu rangkaian perkembangan sains, teknologi, teknik dan matematika yang dimungkinkan dengan dukungan dari Arconic Foundation.

Di samudera, tembikar tembus pandang tak mencolok. Sinar matahari dari atas bersinar ke dalam air dan menembus cumi. Baiklah, melalui sebagian besar saja. Hanya mata cumi yang menghalangi sinar matahari, memberikan bayangan di bawah ini. Bayangan itu menimbulkan bahaya bagi cumi-cumi itu. Predator dalam laut ini melihat ke atas, mencari bayangan semacam itu. Begitulah cara mereka menemukan makanan.

Banyak spesies cumi-cumi kaca, bagaimanapun, telah mengembangkan solusi untuk masalah teknologi baru ini. Mereka memancarkan cahaya dari bawah mata mereka. Sekarang, dari bawah, binatang itu tampak lenyap. Sebagai tidak masuk akal seperti yang terlihat, mereka menggunakan cahaya untuk bersembunyi.

Cumi-cumi ini tidak sendirian dalam memanfaatkan cahaya sebagai keterampilan bertahan hidup. Jauh di bawah permukaan laut ada dunia cahaya. Hampir semua makhluk di sana bersinar dalam beberapa cara. Seperti cacing laut yang menyemburkan bunga api kuning untuk menakut-nakuti pemangsa.

Alison Sweeney adalah seorang fisikawan di University of Pennsylvania di Philadelphia. Dikatakannya, di laut dalam, bioluminescence adalah aturannya, bukan pengecualian. Melalui bioluminesen, dia mengacu pada kemampuan banyak organisme untuk mengeluarkan cahaya.

Bersembunyi dari predator, satu-satunya alasan hewan menghasilkan cahaya. Ikan viperfish, misalnya, memancarkan suar berkedip yang memikat mangsa untuk menjadikannya sebagai makan malamnya. Kunang-kunang, memancarkan cahayauntuk mencari pasangan. Lampu hijau kekuningan yang berdenyut tidak hanya memberi tahu pasangan potensial "Saya di sini," tapi juga memperingatkan pemangsa bahwa serangga ini terlalu beracun untuk makan siang yang menyehatkan.

Dulu, orang tahu bagaimana menerangi dunia mereka dengan penerangan listrik. Tapi manusiabukan satu-satunya makhluk yang bisa menerangi kegelapan di sekitar mereka. Banyak hewan juga, dan yang aneh kedengarannya, bahkan gelembung kadang-kadang bisa memancarkan cahaya.

Di sini kita bertemu tiga ilmuwan yang mempelajari sumber cahaya alami semacam itu. Apa yang telah mereka pelajari dapat menyebabkan perangkat yang lebih baik untuk menerangi dunia manusia. Temuan mereka bahkan bisa menghasilkan sumber energi yang lebih baik dan mungkin pemahaman yang lebih baik tentang bintang geriatri yang mengintai di dalam ruang yang dalam.

Kimia cahaya

Banyak hewan yang membuat cahaya memiliki sel khusus dimana reaksi kimia menciptakan cahaya. Cumi-cumi kaca, misalnya, memiliki bercak-bercak sel-sel ini di sekitar mata mereka. Cahaya yang mereka keluarkan kini akan mengisi bayangan. Sebuah kunang-kunang, sebaliknya, memiliki rumpun sel-sel ini di segmen terakhir dari perutnya. Mereka semua langsung bersinar terang.

Dimana sel-sel itu dan seberapa dekat jaraknya akan tergantung pada apa yang dilakukan binatang dengan cahaya mereka. “Variasinya sedikit, seperti semua jenis lampu yang kita temukan di Home Depot," kata Sweeney.

Sweeney menjadi tertarik pada kemampuan hewan untuk menghasilkan cahaya saat ia kuliah. Bagaimana sinar matahari mempengaruhi tanaman dan hewan membuatnya terpesona. Akhirnya, dia memutuskan untuk menyelidiki bagaimana hubungan ini berkembang.

Di sekolah pascasarjana, dia mulai mempelajari bagaimana binatang memancarkan dan menggunakan cahaya. Itulah yang mendorongnya untuk mempelajari genus cumi-cumi kaca, yang disebut Galiteuthis. Seperti kunang-kunang, cumi-cumi kaca bergantung pada trio bahan kimia untuk membuat cahayanya. Salah satunya adalah unsur oksigen. Lain adalah pigmen yang disebut luciferin. Terakhir adalah enzim (molekul yang mempercepat reaksi kimia) yang disebut luciferase. Ketika luciferin dan oksigen berinteraksi, mereka menghasilkan cahaya. Luciferase mempercepat reaksi itu.

Sel cumi kaca yang memancarkan cahaya tampak seperti kabel tipis, masing-masing sekitar 50 mikrometer panjangnya. Itu tentang lebar rambut manusia. Sweeney mengira sel-sel itu juga bertingkah seperti kabel. Mereka seakan mengarahkan cahaya ke bawah, menuju dasar laut.

Tapi saat mempelajari sel-sel ini dengan hati-hati, dia dan rekannya Amanda Holt terkejut. Sel-sel itu bocor. Mereka kehilangan cahaya sepanjang panjangnya. Itu berarti cahaya bahkan keluar dari sel ke samping.

Awalnya, ini membuat wanita tidak efisien. Tapi kemudian Sweeney menganggap dunia binatang. Cumi-cumi itu perlu disembunyikan dari predator yang mengintai tidak hanya di bawah tapi juga ke kedua sisi. Jadi mereka harus menghindari bayangan bayangan di kedua sisinya. Cahaya yang bocor lah yang melakukan hal itu. Ini secara efektif menyembunyikan mata cumi dari semua sudut.

Sweeney dan Holt melaporkan temuan mereka dalam Journal of the Royal Society Interface bulan Juni 2016.

"Hewan-hewan ini adalah ahli memanipulasi alat untuk membuat cahaya," Sweeney menyimpulkan. Mereka tampaknya memiliki trik untuk bekerja dengan cahaya di ruang yang sangat kecil (sel tunggal) dan di lingkungan yang aneh.

Periset berharap bisa membuat perangkat baru yang melakukan hal yang sama dengan menggunakan nanoteknologi. Istilah itu mengacu pada hal-hal yang terbuat dari struktur dengan ukuran pada skala 100 miliar meter (sekitar 25 miliar inci) atau kurang.

Salah satu idenya adalah dengan menggunakan reaksi kimia berbasis luciferin untuk membuat struktur kecil bersinar. Nanorods ini mungkin menawarkan alternatif untuk LED, atau dioda pemancar cahaya. Seperti namanya, LED adalah perangkat elektronik yang memancarkan cahaya. Mereka melakukannya dengan membiarkan elektron melewati semikonduktor. Bahan semacam itu bisa mentransmisikan elektron, tapi tidak akan memanaskan cara filamen logam di bola lampu tradisional (pijar). Panas itu hanya menyia-nyiakan energi. Jadi LED jauh lebih efisien daripada bola lampu tradisional untuk memberi cahaya.

Tapi LED punya masalah. Mereka butuh listrik. Nanorod yang bersinar melalui reaksi kimia. Jadi ini mungkin salah satu cara untuk membuat LED lebih efisien. Namun, inefisiensi dalam menghasilkan cahaya tidak semuanya buruk, seperti yang ditunjukkan oleh karya Sweeney. Cumi-cumi kaca menggunakan cara yang tidak efisien untuk menghasilkan cahaya untuk menjalani kehidupan yang lebih baik. "Kami ingin mengerti bagaimana cumi melakukannya, jadi kami juga bisa melakukannya," katanya, dikutip dari sciencenews.org.

.Aliran cahaya

Tidak semua hewan mengandalkan reaksi kimia untuk membuat cahaya mereka. Beberapa malah berpendar. Proses ini mengubah satu bentuk cahaya ke cahaya yang lain.

Molekul tertentu dalam sel mereka menyerap cahaya dari satu panjang gelombang, atau warna. Energi bonus ini menggairahkan molekul. Tapi mereka tidak ingin tetap bersemangat. Jadi mereka melepaskan energi ini (tapi pada gelombang lain, biasanya yang lebih lama).

Misalnya, benda yang menyerap radiasi ultraviolet dapat menghidupkan kembali energi itu sebagai cahaya tampak. Dan itu akan membuatnya bersinar.

Matt Liptak tertarik untuk mempelajari molekul yang berpendar setelah salah satu rekannya mencapai halangan dalam penelitiannya. Liptak adalah seorang ahli kimia di University of Vermont di Burlington. Rekannya Ivan Aprahamian adalah seorang ahli kimia di Dartmouth University di Hanover, N.H.

Aprahamian sedang mempelajari molekul yang terbuat dari tiga bahan: unsur boron dan fluorin, dan senyawa yang disebut hydrazone. Dia tertarik pada molekul ini karena mereka adalah rotor molekul (mesin kecil). Di dalamnya, dua bagian molekul bisa berputar satu sama lain.

Molekul yang tertarik padanya akan berpendar setelah cahaya violet bersinar pada mereka. Ini sudah diperkirakan. Apa yang tidak diharapkan, dengan cairan tipis dan berair, seperti air, molekulnya bersinar lemah dan merah. Dalam cairan yang lebih tebal, seperti sirup mapel, mereka malah bersinar hijau terang.

Itu tidak seharusnya terjadi. Sebenarnya, dalam bahan yang lebih tebal, molekul tidak boleh bersinar sama sekali!

Molekul fluorescent biasanya menyerap cahaya, yang kemudian membuat mereka bergetar, meregangkan dan mengeluarkan cahaya. Semua proses ini melepaskan energi, yang membawa molekul ke keadaan yang lebih "santai". Dalam keadaan rileks, molekul akan menahan sedikit energi. Jadi saat molekul itu rileks, ia bisa melepaskan energi ekstra sebagai cahaya.

Namun molekul yang dipelajari oleh Aprahamian lebih bersinar saat mereka dimasukkan ke dalam cairan yang lebih tebal dan tebal. Ini tak terduga karena kebanyakan molekul yang memancarkan cahaya, kurang cahaya pada cairan yang lebih tebal. Jelas, sesuatu yang aneh sedang terjadi.

Aprahamian meminta Liptak untuk mencari tahu mengapa molekulnya tidak rileks pada cairan tebal. Tim Liptak membuat model komputer dari molekul fluoresensi. (Ini adalah analisis yang dilakukan dengan komputer untuk meniru bagaimana sistem fisik bekerja.) Model kelompok Liptak ini menghasilkan prediksi tentang molekul. Para peneliti kemudian dapat menguji prediksi tersebut dalam eksperimen. Ketika mereka melakukannya, mereka menemukan bahwa molekul ini berperilaku sangat berbeda dari kebanyakan senyawa neon.

Ketebalan cairan, yang kita sebut viskositasnya, mematikan relaksasi molekul. Ini tidak membiarkan molekul bergetar dengan baik. Jadi mereka tidak bisa memutar di bagian bawah. Hal itu membuat mereka tidak menumpahkan sebanyak mungkin panas yang diperkirakan. Molekul "bersemangat" merespons dengan memancarkan cahaya, yang menyebabkan cahaya lebih terang.

Intinya, tim peneliti telah menemukan cara baru fluoresensi bisa bekerja. Mereka menggambarkannya di Nature Chemistry bulan September 2016.

"Ini benar-benar menarik. karena kita sadar sekarang ada molekul di seluruh dunia untuk mengeksplorasi ini," kata Liptak.

Jika tim dapat menemukan molekul yang memancarkan cahaya seperti molekul ini, namun lebih terang lagi, bahan kimia ini mungkin juga berguna untuk membantu memperbaiki LED. Tidak ada yang tahu, potensi potensi molekul tersebut untuk generasi LED berikutnya. “Tapi mereka membuka jalur penelitian baru," kata Liptak.

Gelembung terang

Gelembung tidak tampak seperti seharusnya memancarkan cahaya. Tapi di bawah kondisi yang tepat, mereka melakukan melalui proses yang dikenal sebagai sonoluminescence.

Bubbles adalah kantong gas kecil. Gelombang suara bisa menghancurkannya. Gelembung akan melepaskan energi dalam ledakan panas dan cahaya yang fantastis. Hal ini terjadi di alam, saat udang menjepit, ketika cakar mereka tertutup.

Sebagai dua bagian snap cakar satu sama lain, perubahan tekanan membuat gelembung ditembakkan. Ini juga memicu suara sekejap. Suara itu bergerak sebagai gelombang. Seperti yang terjadi, hal itu menyebabkan perubahan tekanan dan kepadatan air.

Perubahan tekanan besar tersebut bisa meremas gelembung, membuat keruntuhannya. Bila itu terjadi, gas di dalamnya memanas. Padahal, gas itu bisa lebih panas dari permukaan matahari. Mungkin menjadi sangat panas sehingga elektron terlepas dari atomnya. Ini menciptakan plasma, sup elektron dan atom bermuatan.

Akhirnya elektron dan atom bergabung kembali. Beberapa ilmuwan berpikir saat itulah semburan cahaya muncul. Semua ini terjadi dalam waktu kurang dari sepersejuta detik.

Ini sangat luar biasa, catat Alex Bataller, seorang fisikawan di North Carolina State University di Raleigh. Tidak ada alasan cara membuat cahaya harus dibatasi pada gertakan udang. Dia mengatakan bahwa orang bisa menggunakannya, secara teori, untuk menghasilkan energi.

“Kami menggunakan banyak energi untuk menyalakan gadget kami, menghangatkan rumah kami, menyimpan lampu, memasak makanan dan melakukan semua tugas sehari-hari kami yang lain. Menghasilkan energi itu menyebabkan polusi. Dan sumber energi yang umum, seperti batu bara dan minyak, tidak akan bertahan selamanya,” katanya.  

Jadi para ilmuwan mencari cara yang lebih bersih dan berkelanjutan untuk menghasilkan energi. Salah satu caranya adalah dengan memadukan atom secara bersamaan. Fusion mengeluarkan banyak energi. Ini adalah proses yang membakar produksi matahari dari panas dan cahaya. Energi matahari akan bertahan selama 5 miliar tahun atau lebih. Para ilmuwan ingin mengetahui bagaimana memadukan sekat atom dengan aman untuk menghasilkan energi di Bumi.

Sonoluminescence mungkin tiketnya. Tapi para ilmuwan membutuhkan lebih banyak kontrol atas proses daripada berasal dari gelembung dan cahaya yang membuat udang gertak. Para ilmuwan juga perlu tahu lebih banyak tentang apa yang terjadi di dalam gelembung. Berapa suhunya? Apa tekanannya? Bisakah kita membuat gas di dalam gelembung menjadi lebih panas dari biasanya? Bisakah kita membuatnya cukup panas untuk menyatukan atom?

Inilah pertanyaan yang coba dijawab Bataller. Sampai saat ini, ia adalah seorang mahasiswa pascasarjana di University of California, Los Angeles. Di sana, ia menghabiskan banyak waktu memotret sinar laser menjadi gelembung kecil. Gelembung ini berukuran mikrometer. Itu hanya beberapa seperseribu inci (seukuran sel darah merah tunggal).

Dia memusatkan laser ke ukuran yang sama. Tujuannya adalah agar gelembung menyerap sinar laser. Itu harus meningkatkan suhu gas di dalamnya.

Akhirnya, Bataller ingin mendapatkan suhu internal gelembung untuk mencapai sekitar 10 juta derajat Celcius (18 juta derajat Fahrenheit). Lalu, saat gelembung itu roboh, (mungkin-mungkin saja) gas di dalamnya akan cukup panas untuk menyatukan atomnya.

Sejauh ini, tidak ada yang mendapatkan fusi gelembung ini untuk bekerja. Tidak jelas apakah ada cara untuk mendapatkan bagian dalam gelembung yang panas. Namun para periset terus mencoba.

Bataller sekarang menggunakan apa yang dia pelajari berupa peledakan gelembung dengan laser untuk mempelajari bahan lainnya. Misalnya, dia mencari semikonduktor dan plasma yang bisa terbentuk di dalamnya. Pekerjaan ini, masih dalam tahap awal, juga ada hubungannya dengan menciptakan energi bersih.

Bahkan jika fusi gelembung tidak bekerja, kata Bataller, para ilmuwan masih dapat menggunakan sonoluminescence untuk mempelajari sejenis bintang yang sekarat yang dikenal sebagai white dwarfs. Mereka hampir seberat matahari tapi hanya seukuran Bumi. Dalam prosesnya, mereka telah menghancurkan banyak gas. Tapi masih mengandung plasma, seperti gelembung pemancar cahaya. Jadi mempelajari gelembung itu mungkin memberi wawasan tentang bintang kerdil putih.

Seperti yang ditunjukkan oleh para peneliti ini, sains dan teknik memiliki banyak hal untuk dipelajari dari bagaimana alam dapat membuat dunia menjadi tenang.(kakikukram/sciennews.org)

Images:
Sciencenews.org

Powered by Blogger.