Tahun ini, Hadiah Nobel bidang Kedokteran diberikan Victor Ambrose, saat ini menjadi Profesor Ilmu Pengetahuan Alam di Fakultas Kedokteran Universitas Massachusetts, dan Gary Ruvkunseorang Profesor Genetika di Harvard Medical School. Kedua pria tersebut memenangkan penghargaan atas penemuan microRNA mereka. Salah satu pertanyaan kunci sains adalah bagaimana kita bisa memiliki sel-sel yang terdiferensiasi – sel otak, otot, tulang, saraf – ketika semua sel memiliki DNA yang sama. Kuncinya adalah regulasi gen dimana setiap sel hanya memilih instruksi DNA yang relevan dengan fungsi tertentu. Pertanyaan kuncinya adalah bagaimana regulasi gen ini terjadi.

Victor Ambros dan Gary Ruvkun tertarik pada bagaimana berbagai jenis sel berkembang. Mereka menemukan microRNA, kelas baru molekul RNA kecil yang memainkan peran penting dalam regulasi gen. Penemuan inovatif mereka mengungkap prinsip baru dalam regulasi gen yang ternyata penting bagi organisme multiseluler, termasuk manusia. Sekarang diketahui bahwa genom manusia mengkode lebih dari seribu mikroRNA. Penemuan mengejutkan mereka mengungkap dimensi baru dalam regulasi gen. MicroRNA terbukti sangat penting bagi bagaimana organisme berkembang dan berfungsi…

Banyak penemuan awal seputar microRNA dilakukan melalui penelitian pada cacing gelang sepanjang 1 mm yang dikenal sebagai C. elegans. Mereka menemukan bahwa bagian yang sangat kecil dari RNA – yang sekarang dikenal sebagai microRNA – tidak mengkode protein tertentu melainkan menghambat produksi protein tertentu. Implikasi microRNA di dunia nyata sangat luas.

Kita tahu dari penelitian genetik bahwa sel dan jaringan tidak berkembang secara normal tanpa microRNA. Regulasi abnormal oleh microRNA dapat menyebabkan kanker, dan mutasi pada gen yang mengkode microRNA telah ditemukan pada manusia, menyebabkan kondisi seperti gangguan pendengaran bawaan, kelainan mata dan tulang.

Anda dapat membaca lebih lanjut tentang microRNA serta peraih Nobel Ambros dan Ruvken di sini.

Penelitian mengungkapkan bahwa akhir-Periode Kapur Kepunahan massal mengubah genom burung secara signifikan, yang berkontribusi pada evolusi dan keanekaragaman burung masa kini. Dengan menganalisis fosil genom dan pergeseran evolusi, penelitian ini memberikan pemahaman yang lebih mendalam tentang bagaimana kepunahan massal membentuk kehidupan di Bumi.

Tak lama setelah asteroid menghantam Bumi 66 juta tahun lalu, kehidupan dinosaurus non-unggas berakhir, tetapi kisah evolusi nenek moyang awal burung dimulai.

Catatan fosil memberi tahu kita bahwa nenek moyang awal burung yang hidup saat ini memulai perjalanan evolusi mereka tepat setelah peristiwa kepunahan massal yang disebabkan oleh asteroid, tetapi para peneliti tidak yakin bagaimana mereka akan melihat kisah itu tercermin dalam genom burung. Kini, sebuah studi dari University of Michigan telah mengidentifikasi perubahan penting dalam genom burung yang dipicu oleh kepunahan massal, yang disebut peristiwa kepunahan massal akhir Cretaceous, yang pada akhirnya berkontribusi pada keanekaragaman burung yang hidup saat ini.

Penelitian ini meneliti lintasan evolusi semua kelompok burung utama dan menemukan bukti “fosil genomik” pada burung. DNA yang menandai langkah evolusi penting saat burung berevolusi menjadi lebih dari 10.000 makhluk hidup jenisPenelitian ini dipublikasikan sebagai artikel akses terbuka di jurnal Kemajuan Ilmu Pengetahuan.

“Dengan mempelajari DNA burung yang masih hidup, kami dapat mencoba mendeteksi pola urutan genetik yang berubah tepat setelah salah satu peristiwa terpenting dalam sejarah Bumi,” kata penulis utama Jake Berv, yang menyelesaikan penelitian tersebut sebagai Michigan Life Sciences Fellow di Departemen Ekologi dan Biologi Evolusi UM. “Tanda-tanda peristiwa tersebut tampaknya telah tercetak dalam genom burung yang masih hidup dengan cara yang dapat kami deteksi puluhan juta tahun kemudian.”

Komposisi Genom dan Potensi Evolusi

Genom organisme hidup terdiri dari empat molekul nukleotida, yang disebut dengan huruf A, T, G, dan C. Urutan nukleotida ini dalam genom menentukan “cetak biru” kehidupan. Kode DNA terkadang dapat berevolusi dengan cara yang mengubah keseluruhan komposisi nukleotida DNA di seluruh genom. Perubahan komposisi ini sangat penting dalam menentukan jenis variasi genetik yang mungkin terjadi, yang berkontribusi pada potensi evolusi organisme, atau kemampuannya untuk berevolusi.

Para peneliti menemukan bahwa peristiwa kepunahan massal memicu perubahan dalam komposisi nukleotida. Mereka juga menemukan bahwa perubahan ini tampaknya terkait dengan cara burung berkembang saat bayi, ukuran tubuh mereka saat dewasa, dan metabolisme mereka.

Misalnya, dalam kurun waktu sekitar 3 juta hingga 5 juta tahun setelah kepunahan massal, garis keturunan burung yang masih hidup cenderung mengembangkan ukuran tubuh yang lebih kecil. Mereka juga mengubah cara mereka berkembang saat menetas, dengan lebih banyak spesies menjadi “altricial”. Ini berarti mereka masih sangat embrionik saat menetas, membutuhkan induknya untuk memberi mereka makan, dan dapat memakan waktu berminggu-minggu untuk menjadi dewasa, kata Berv. Burung yang menetas siap untuk mencari makan sendiri, seperti ayam dan kalkun, disebut “precocial”.

“Kami menemukan bahwa ukuran tubuh burung dewasa dan pola perkembangan sebelum menetas adalah dua fitur penting biologi burung yang dapat kami kaitkan dengan perubahan genetik yang kami deteksi,” kata Berv, yang kini menjadi peneliti pascadoktoral Schmidt AI in Science di Michigan Institute for Data & AI in Society, U-M.

Pemodelan Genom Tingkat Lanjut

Berv mengatakan salah satu tantangan paling signifikan dalam biologi evolusi dan ornitologi adalah mengungkap hubungan antara kelompok burung utama—sulit untuk menentukan struktur pohon kehidupan burung yang masih hidup. Selama 15 tahun terakhir, para peneliti telah menerapkan kumpulan data genom yang semakin besar untuk mencoba memecahkan masalah tersebut.

Sebelumnya, para peneliti menggunakan data genomik untuk mempelajari evolusi genom burung menggunakan model statistik yang membuat asumsi kuat. Model “tradisional” ini memungkinkan para peneliti merekonstruksi sejarah perubahan genetik, tetapi mereka biasanya berasumsi bahwa komposisi DNA, proporsi nukleotida A, T, G, dan C, tidak berubah sepanjang sejarah evolusi.

Pada akhir tahun 2019, Berv mulai bekerja dengan Stephen Smith, profesor ekologi dan biologi evolusi UM, yang tengah mengembangkan perangkat lunak untuk melacak komposisi DNA dari waktu ke waktu dan di berbagai cabang pohon kehidupan dengan lebih cermat. Dengan perangkat ini, para peneliti mampu melonggarkan asumsi bahwa komposisi DNA tetap konstan. Smith mengatakan bahwa hal ini memungkinkan “model” evolusi DNA bervariasi di seluruh pohon evolusi dan mengidentifikasi tempat-tempat yang kemungkinan mengalami pergeseran komposisi DNA.

Untuk penelitian baru ini, pergeseran ini terkonsentrasi dalam waktu, dalam kurun waktu sekitar 5 juta tahun setelah kepunahan massal akhir Zaman Kapur, kata Berv. Pendekatan mereka juga memungkinkan mereka memperkirakan ciri burung mana yang paling erat kaitannya dengan pergeseran komposisi DNA ini.

“Ini adalah jenis perubahan genetik penting yang kami pikir dapat dikaitkan dengan peristiwa kepunahan massal,” katanya. “Sejauh yang kami ketahui, perubahan dalam komposisi DNA sebelumnya belum pernah dikaitkan dengan kepunahan massal akhir Zaman Kapur dengan cara yang begitu jelas.”

Daniel Field, profesor paleontologi vertebrata di

Universitas Cambridge dan rekan penulis studi tersebut, tertarik untuk memahami bagaimana kepunahan massal akhir Zaman Kapur memengaruhi evolusi burung. Ia memberikan panduan terkait evolusi burung awal setelah kepunahan massal.

“Kita tahu bahwa peristiwa kepunahan massal dapat secara dramatis memengaruhi keanekaragaman hayati, ekologi, dan bentuk organisme. Studi kami menekankan bahwa peristiwa kepunahan ini sebenarnya dapat memengaruhi biologi organisme secara lebih mendalam—dengan mengubah aspek-aspek penting tentang bagaimana genom berevolusi,” kata Field. “Penelitian ini semakin memperdalam pemahaman kita tentang dampak biologis yang dramatis dari peristiwa kepunahan massal dan menyoroti bahwa kepunahan massal yang memusnahkan dinosaurus raksasa adalah salah satu peristiwa yang paling berdampak secara biologis dalam seluruh sejarah planet kita.”

Para peneliti mengatakan bahwa dengan melonggarkan asumsi umum yang digunakan dalam biologi evolusi, mereka membangun wawasan yang lebih bernuansa tentang rangkaian peristiwa yang terjadi pada sejarah awal burung.

“Kami biasanya tidak melihat perubahan komposisi dan model DNA di seluruh pohon kehidupan sebagai perubahan bahwa sesuatu yang menarik telah terjadi pada titik waktu dan tempat tertentu,” kata Smith. “Studi ini menggambarkan bahwa kami mungkin telah melewatkan sesuatu.”

Referensi: “Genom dan evolusi riwayat hidup menghubungkan diversifikasi burung dengan kepunahan massal akhir Cretaceous” oleh Jacob S. Berv, Sonal Singhal, Daniel J. Field, Nathanael Walker-Hale, Sean W. McHugh, J. Ryan Shipley, Eliot T. Miller, Rebecca T. Kimball, Edward L. Braun, Alex Dornburg, C. Tomomi Parins-Fukuchi, Richard O. Prum, Benjamin M. Winger, Matt Friedman dan Stephen A. Smith, 31 Juli 2024, Kemajuan Ilmu Pengetahuan.
DOI: 10.1126/sciadv.adp0114

Artikel ini awalnya diterbitkan oleh Grist. Daftar untuk menerima buletin mingguan Grist di sini.

Jeruk identik dengan Florida. Buah yang segar ini dapat ditemukan menghiasi berbagai tempat, mulai dari pelat nomor kendaraan hingga barang-barang kenangan yang unik. Tanyakan kepada penduduk Florida mana pun dan mereka akan memberi tahu Anda bahwa tanaman ini merupakan ciri khas Negara Bagian yang Bersinar Matahari.

Jay Clark akan segera setuju. Dia berusia 80 tahun dan merupakan petani generasi ketiga yang menggarap lahan milik keluarganya di Wauchula sejak tahun 1950-an. Namun, dia tidak yakin berapa lama lagi dia bisa bertahan. Dua tahun lalu, Badai Ian menghantam pohon-pohon yang sudah lemah karena penyakit yang ganas dan tidak dapat disembuhkan yang disebut citrus greening. Butuh waktu lebih dari setahun untuk pulih setelah “seluruh panen pada dasarnya tertiup” oleh angin berkecepatan 150 mph. “Ini perjuangan yang berat,” kata Clark. “Saya kira kami terlalu keras kepala untuk berhenti total, tetapi ini bukan bisnis yang menguntungkan saat ini.”

Keluarganya pernah memiliki hampir 500 hektar di Florida bagian barat tengah, tempat mereka menanam jeruk dan beternak sapi. Mereka telah menjual sebagian besar tanah itu dalam beberapa tahun terakhir, dan telah mengurangi perkebunan jeruk mereka. “Kami lebih berkonsentrasi pada ternak,” katanya. “Semua orang mencari tanaman atau solusi alternatif.”

Negara bagian ini, yang menanam sekitar 17 persen jeruk, jeruk bali, dan buah asam lainnya di negara ini, hanya menghasilkan 18,1 juta kotak selama musim tanam 2022 hingga 2023, panen terkecil dalam hampir satu abad. Itu adalah penurunan 60 persen dari musim sebelumnya, penurunan yang sebagian besar disebabkan oleh dampak gabungan dari patogen misterius dan badai. Tahun ini, perkiraan akhir USDA yang baru saja dirilis untuk musim tersebut mengungkapkan lonjakan produksi sebesar 11,4 persen dibandingkan tahun lalu, tetapi itu bahkan belum mencapai setengah dari apa yang diproduksi selama musim 2021 hingga 2022.

Konsumen di seluruh negeri merasakan tekanan dari penurunan ini, yang diperparah oleh banjir yang menghambat panen di Brasil, eksportir jus jeruk terbesar di dunia. Semua ini telah mendorong harga minuman tersebut ke rekor tertinggi.

Karena perubahan iklim membuat badai semakin mungkin terjadi, penyakit membunuh lebih banyak pohon, dan air semakin sulit didapat, industri jeruk Florida yang bernilai hampir $7 miliar menghadapi ancaman eksistensial. Negara Bagian Sunshine, yang pernah menjadi salah satu produsen jeruk terkemuka di dunia dan hingga tahun 2014 menghasilkan hampir tiga perempat jeruk nasional, telah melewati tantangan seperti itu sebelumnya. Para petani jeruknya sangat tangguh. Beberapa orang yakin bahwa penelitian yang sedang berlangsung akan menemukan obat untuk penyakit jeruk hijau, yang akan sangat membantu pemulihan. Namun yang lain kurang optimis tentang jalan ke depan, karena bahaya yang mereka hadapi sekarang adalah pertanda masa depan.

“Kami masih di sini, tetapi situasinya tidak baik. Kami di sini, tetapi hanya itu saja,” kata Clark. “Ini lebih besar dari sekadar keluarga kami sebagai petani jeruk. Jika solusinya tidak ditemukan, tidak akan ada industri jeruk.”

Citrus greening, penyakit yang tidak dapat disembuhkan yang disebarkan oleh serangga yang merusak tanaman sebelum akhirnya membunuh pohon, telah membahayakan industri jeruk Florida sejak penyakit itu menyerang sebuah kebun di Miami hampir dua dekade lalu. Penyakit itu muncul beberapa tahun setelah wabah penyakit kanker jeruk, yang membuat tanaman tidak dapat dijual, dan menyebabkan hilangnya jutaan pohon di seluruh negara bagian. Meskipun penghijauan telah muncul di pusat-pusat jeruk lainnya seperti California dan Texas, penyakit itu belum banyak mempengaruhi kebun komersial di kedua negara bagian itu. Cakupan penyakit busuk daun di Florida sejauh ini merupakan yang terbesar, dan paling mahal — sejak 2005, penyakit itu telah memangkas produksi hingga 75 persen. Iklim subtropis Sunshine State sepanjang tahun memungkinkan infestasi menyebar dengan kecepatan yang lebih tinggi. Tetapi karena pemanasan terus meningkatkan suhu global, penyakit itu diperkirakan akan menyebar ke utara.

“Anda melihat begitu banyak kebun jeruk yang terbengkalai di jalan raya, di semua ruas jalan,” kata Amir Rezazadeh, dari Institut Ilmu Pangan dan Pertanian Universitas Florida. “Sebagian besar pohon itu kini sudah mati.”

Rezazadeh bertindak sebagai penghubung antara ilmuwan universitas yang berjuang untuk memecahkan masalah dan petani jeruk di St. Lucie County, salah satu daerah penghasil jeruk terbesar di negara bagian tersebut. “Kami mengadakan begitu banyak pertemuan, kunjungan dengan petani setiap bulan, dan ada begitu banyak peneliti yang berupaya mengembangkan varietas yang tahan,” katanya. “Dan itu benar-benar membuat petani jeruk ini gelisah. (Semua orang) menunggu hasil penelitian baru.”

Janji terbesar terletak pada antibiotik yang diciptakan untuk mengurangi dampak penghijauan. Meskipun hasil awal yang menggembirakan dalam mengurangi gejala, terapi seperti oksitetrasiklin masih dalam tahap awal dan mengharuskan petani untuk menyuntikkan pengobatan ke setiap pohon yang terinfeksi. Lebih penting lagi, ini bukanlah obat, hanya solusi sementara — cara untuk menjaga pohon yang terinfeksi tetap hidup sementara para peneliti berlomba mencari cara untuk mengalahkan penyakit misterius ini.

“Kami butuh lebih banyak waktu,” kata Rezazadeh. Petani di St. Lucie County mulai menggunakan antibiotik tahun lalu. “Ada harapan agar kami bisa menjaga mereka tetap hidup sampai kami menemukan obatnya.”

Total luas perkebunan jeruk di negara bagian tersebut mengalami pukulan telak pada tahun 1990-an ketika program pemberantasan penyakit kanker, yang saat itu merupakan musuh terbesar industri tersebut, mengakibatkan pemusnahan ratusan ribu pohon di lahan milik pribadi. Pada tahun-tahun sejak penanaman jeruk dimulai, dampak berantai dari penyakit tersebut semakin parah dengan badai, banjir, dan kekeringan yang terus-menerus mengancam para petani.

Badai tidak hanya menumbangkan pohon, menyebarkan buah, dan mengguncang pohon dengan sangat keras sehingga butuh waktu bertahun-tahun untuk pulih. Hujan deras dan banjir dapat menggenangi kebun dan menguras oksigen dari tanah. Pohon yang sakit menghadapi risiko khusus karena penyakit sering kali memengaruhi akarnya, sehingga melemahkannya. Ray Royce, direktur eksekutif Highlands County Citrus Growers Association, menyamakannya dengan kondisi medis yang sudah ada sebelumnya.

“Saya sudah tua. Kalau saya pilek atau sakit, lebih sulit bagi saya untuk pulih di usia 66 tahun daripada di usia 33 tahun. Kalau saya punya masalah kesehatan yang mendasarinya, itu lebih sulit lagi,” katanya. “Penghijauan adalah semacam kondisi kesehatan negatif yang mendasarinya yang membuat apa pun yang terjadi pada pohon, yang membuat pohon itu stres, semakin parah.”

Perubahan iklim juga menyebabkan curah hujan yang tidak mencukupi, suhu yang lebih tinggi, dan musim kemarau yang memecahkan rekor, sehingga tanah kekurangan air. Kurangnya curah hujan juga telah mengeringkan sumur dan kanal di beberapa wilayah paling produktif di negara bagian tersebut. Semua ini dapat mengurangi hasil panen dan menyebabkan buah jatuh sebelum waktunya.

Tentu saja, pohon yang sehat memiliki peluang lebih tinggi untuk bertahan terhadap ancaman tersebut. Namun, keuletan rumpun pohon yang kuat sedang diuji, dan kejadian yang tadinya kecil seperti cuaca dingin yang singkat dapat cukup untuk mengakhiri pohon yang sudah di ambang kehancuran.

“Tiba-tiba kami mengalami sedikit nasib buruk. Kami mengalami badai. Lalu setelah badai, kami mengalami cuaca dingin,” kata Royce. “Sekarang kami baru saja mengalami kekeringan yang pasti akan berdampak negatif pada panen tahun depan. Jadi, kami perlu memanfaatkan beberapa kesempatan baik dan menikmati beberapa tahun yang baik dengan jumlah air yang cukup, tanpa badai atau cuaca dingin yang berdampak negatif pada pohon.”

Perubahan iklim yang disebabkan manusia berarti bahwa jeda yang sangat diharapkan Royce tidak mungkin terjadi. Bahkan, para peramal cuaca memperkirakan ini akan menjadi musim badai paling aktif yang pernah tercatat dalam sejarah. Para peneliti juga menemukan bahwa pemanasan akan meningkatkan tekanan penyakit tanaman, seperti penghijauan, pada tanaman pangan di seluruh dunia.

Meskipun “hampir setiap pohon di Florida” terserang penyakit ini, dan kenyataan bahwa suhu yang menghangat menyebarkan patogen menjadi perhatian yang terus berkembang, hari-hari produksi jeruk di negara bagian ini masih jauh dari kata berakhir, kata Tim Widmer, seorang ahli patologi tanaman yang mengkhususkan diri dalam penyakit tanaman dan kesehatan tanaman. “Kami belum menemukan solusinya,” katanya. “Namun, ada beberapa hal yang terlihat sangat, sangat menjanjikan.” Dana yang sangat besar telah dicurahkan untuk mencari jawaban atas masalah yang membingungkan ini. Badan legislatif Florida mengalokasikan $65 juta dalam anggaran 2023-2024 untuk mendukung industri ini, sementara undang-undang pertanian federal tahun 2018 memasukkan $25 juta per tahun, selama undang-undang ini berlaku, untuk memerangi penyakit ini.

Widmer adalah kontraktor di Layanan Penelitian Pertanian Departemen Pertanian AS, yang merancang sistem otomatis (dikenal sebagai “teknologi simbion”) yang akan “memompa” terapi seperti peptida antimikroba yang menghancurkan patogen di pohon inang, yang memungkinkan petani tidak perlu lagi memberikan suntikan secara manual. Anggap saja “seperti biopabrik yang menghasilkan senyawa yang diinginkan dan mengirimkannya langsung ke pohon,” kata Widmer. Namun, mereka baru saja mulai mengujinya di kebun seluas 40 hektar pada musim semi ini. Solusi lain yang diupayakan para ilmuwan termasuk membiakkan varietas jeruk baru yang bisa lebih toleran terhadap penyakit busuk daun. “Diperlukan waktu 8 hingga 10 hingga 12 tahun untuk mengembangkan solusi jangka panjang untuk (penghijauan), dan juga untuk beberapa faktor perubahan iklim yang akan memengaruhi produksi jeruk,” kata Widmer.

Waktu adalah sesuatu yang tidak dapat ditanggung oleh banyak usaha milik keluarga. Dalam beberapa tahun terakhir, semakin banyak kebun jeruk Florida, asosiasi petani, dan bisnis terkait telah tutup untuk selamanya. Ian adalah titik balik bagi Sun Groves, sebuah bisnis keluarga di Oldsmar yang dibuka pada tahun 1933.

“Kami benar-benar menderita karena cuaca dingin, badai … dan berusaha semampu kami untuk tetap menjalankan bisnis meskipun menghadapi semua tantangan,” kata Michelle Urbanski, yang menjabat sebagai manajer umum. “Ketika Badai Ian melanda, itu benar-benar pukulan terakhir yang membuat kami tahu bahwa kami harus menutup bisnis.”

Kerugian finansial yang dialami terlalu besar, mengakhiri kontribusi keluarga selama hampir seabad terhadap warisan jeruk Florida yang kini tengah dilanda krisis. “Sangat menyedihkan bagi keluarga saya untuk menutup Sun Groves,” katanya. Di tengah derasnya serangan hama dan badai yang dahsyat, perasaan itu mungkin akan segera dirasakan banyak orang.

Artikel ini awalnya dimuat di Grist at Grist adalah organisasi media nirlaba dan independen yang didedikasikan untuk menceritakan kisah-kisah tentang solusi iklim dan masa depan yang adil. Pelajari lebih lanjut di Grist.org

Sebuah studi terkini oleh Universitas Nasional Yokohama telah memperkenalkan metodologi inovatif dalam ilmu material, yang menghasilkan perakitan mandiri kristal molekuler berpori ganda menggunakan teknik penyortiran canggih. Inovasi ini membuka jalan bagi pengembangan material multifungsi dengan beragam aplikasi.

Kerangka molekul serbaguna yang dikenal sebagai struktur supramolekul diskret berfungsi sebagai blok penyusun mikroskopis yang dapat disesuaikan untuk berbagai aplikasi. Struktur ini dapat digunakan dalam penghantaran obat, menciptakan lingkungan unik untuk reaksi katalitik, atau diintegrasikan ke dalam mesin molekuler.

Dalam makalah mereka yang diterbitkan di Jurnal Masyarakat Kimia Amerikapara peneliti dari Universitas Nasional Yokohama menyajikan metodologi baru untuk memajukan perakitan mandiri bahan supramolekul berfungsi ganda.

Perakitan sendiri melibatkan pembentukan spontan arsitektur supramolekul yang terdefinisi dengan baik dan terpisah dari sekumpulan komponen tertentu dalam keseimbangan termodinamika. Biasanya, kombinasi biner prekursor, yang masing-masing memiliki gugus fungsi komplementer, dirakit menjadi produk yang stabil. Sistem multikomponen, yang mencakup setidaknya dua prekursor yang memiliki gugus fungsi identik, masih relatif belum dieksplorasi.

Menjelajahi Penyortiran Diri Sosial

Para ilmuwan tengah menyelidiki metode untuk menggembalakan prekursor yang berbeda dengan kelompok fungsional yang sama ke dalam struktur supramolekuler yang terpadu melalui “penyortiran diri sosial”. Dalam penyortiran diri sosial, transisi antara sistem yang disortir sendiri yang kompleks meniru fungsi pengaturan yang ditemukan di alam, yang mampu melakukan perilaku pengenalan yang selektif namun adaptif.

Untuk mencapai tujuan ini, para peneliti telah mengembangkan pendekatan strategis guna mencegah penggabungan acak dan “penyortiran diri narsistik,” di mana setiap jenis prekursor berkumpul menjadi struktur independen.

Salah satu pendekatannya adalah melalui teknik yang disebut penyortiran diri kiral, yang bergantung pada komplementaritas kiral (keberpihakan kanan atau kiri). Ketika prekursor rasemat (campuran dua molekul kiral yang disebut enantiomer) digunakan, kedua enantiomer tersebut sering kali digabungkan menjadi satu struktur tunggal.

Molekul tangan kanan dan tangan kiri cenderung sejajar secara bergantian saat mengkristal, dan memungkinkan untuk menyusun “kuasi-rasemat” yang memiliki sedikit perbedaan struktural antara bentuk tangan kanan dan tangan kiri.

Prestasi dalam Pengembangan Material Fungsional

“Penelitian sebelumnya terutama berfokus pada pencapaian penyelarasan molekul-molekul ini, dan penerapan fenomena ini pada pengembangan material fungsional merupakan suatu tantangan,” kata penulis korespondensi Suguru Ito, profesor madya teknik di Universitas Nasional Yokohama.

Dalam penelitian mereka, tim Ito mengeksplorasi penyusunan “quasi-racemates” dengan sedikit perbedaan struktural antara bentuk tangan kanan dan tangan kiri untuk menciptakan material kristal dengan pori-pori dengan ukuran yang bervariasi. Penyortiran sosial dua pasang quasi-racemates dicapai dengan membentuk molekul berbentuk cincin dengan empat molekul penghubung. Cincin yang stabil ini diperoleh melalui reaksi reversibel antara gugus aldehida dari quasi-racemates dan gugus amina dari molekul penghubung. Hasilnya, molekul berbentuk cincin dapat mengkristal menjadi kristal molekul berpori yang memiliki dua jenis pori seperti tabung.

“Hal ini merupakan pencapaian penting dalam penerapan teknik penyusunan molekul tangan kanan dan tangan kiri untuk menciptakan material fungsional,” kata Ito.

Mendesain material berpori dengan sistem pori ganda menghadirkan tugas yang rumit, namun material tersebut sangat berharga karena fungsinya yang canggih. Karena setiap pori dapat difungsikan secara berbeda, material pori ganda memungkinkan beberapa fungsi sekaligus atau desain khusus untuk aplikasi yang rumit.

Bukti eksperimental menegaskan bahwa pori-pori ganda ini menunjukkan sifat penyerapan yang berbeda.

Studi ini menekankan kegunaan quasi-racemates dalam membangun struktur supramolekul yang terurut sendiri secara sosial dengan dua fungsi yang berbeda. Lebih jauh lagi, metodologi ini menyiapkan panggung untuk pembuatan kelas baru kristal molekuler berpori ganda.

“Sejauh pengetahuan kami, ini adalah kristal molekuler berpori ganda pertama yang terbentuk oleh makrosiklus yang diurutkan sendiri secara sosial,” kata Ito.

Penelitian di masa mendatang akan bertujuan untuk mengembangkan berbagai bahan kristal multifungsi dengan menerapkan teknik penyusunan kuasi-rasemat.

“Tujuan utama saya adalah untuk menciptakan metode dalam menyusun molekul organik secara tepat dan mengembangkan material kristal fungsional yang bermanfaat bagi masyarakat,” kata Ito.

Referensi: “Social Self-Sorting of Quasi-Racemates: Pendekatan Unik untuk Kristal Molekuler Berpori Ganda” oleh Momoka Kimoto, Shoichi Sugiyama, Keigo Kumano, Satoshi Inagaki dan Suguru Ito, 25 Juni 2024, Jurnal Masyarakat Kimia Amerika.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1021/jacs.4c01654

Penelitian ini didukung oleh Badan Sains dan Teknologi Jepang.

Para peneliti di Laboratorium Nasional Argonne telah mengembangkan teknik baru menggunakan sinar-X foto spektroskopi korelasi dan kecerdasan buatan untuk menganalisis materi.

Metode ini menghasilkan “sidik jari” material secara terperinci, yang diinterpretasikan oleh AI untuk mengungkap informasi baru tentang dinamika material. Pendekatan ini, yang dikenal sebagai AI-NERD, memanfaatkan teknologi tanpa pengawasan pembelajaran mesin untuk mengenali dan mengelompokkan sidik jari ini, meningkatkan pemahaman tentang perilaku material dalam berbagai kondisi.

Seperti halnya manusia, material berevolusi seiring waktu. Material juga berperilaku berbeda saat diberi tekanan dan relaksasi. Para ilmuwan yang ingin mengukur dinamika perubahan material telah mengembangkan teknik baru yang memanfaatkan spektroskopi korelasi foton sinar-X (XPCS), kecerdasan buatan (AI), dan pembelajaran mesin.

Inovasi Identifikasi Material dengan AI

Teknik ini menciptakan “sidik jari” dari berbagai bahan yang dapat dibaca dan dianalisis oleh jaringan saraf untuk menghasilkan informasi baru yang sebelumnya tidak dapat diakses oleh para ilmuwan. Jaringan saraf adalah model komputer yang membuat keputusan dengan cara yang mirip dengan otak manusia.

Dalam studi baru oleh para peneliti di Advanced Photon Source (APS) dan Center for Nanoscale Materials (CNM) di Laboratorium Nasional Argonne milik Departemen Energi AS (DOE), para ilmuwan telah memasangkan XPCS dengan algoritma pembelajaran mesin tanpa pengawasan, suatu bentuk jaringan saraf yang tidak memerlukan pelatihan ahli. Algoritma tersebut mengajarkan dirinya sendiri untuk mengenali pola yang tersembunyi dalam susunan sinar-X yang dihamburkan oleh koloid — sekelompok partikel yang tersuspensi dalam larutan. APS dan CNM adalah fasilitas pengguna Kantor Sains DOE.

“Tujuan AI hanyalah memperlakukan pola pencar seperti gambar atau foto normal dan memprosesnya untuk mengetahui pola mana yang berulang. AI ahli dalam pengenalan pola.”

— James (Jay) Horwath, Laboratorium Nasional Argonne

Kompleksitas dalam Data Hamburan Sinar-X

“Cara kita memahami bagaimana material bergerak dan berubah seiring waktu adalah dengan mengumpulkan data hamburan sinar-X,” kata peneliti pascadoktoral Argonne James (Jay) Horwath, penulis pertama penelitian tersebut.

Pola-pola ini terlalu rumit untuk dideteksi oleh para ilmuwan tanpa bantuan AI. ​“Saat kami menyinari sinar X, polanya sangat beragam dan rumit sehingga sulit bagi para ahli untuk memahami apa artinya,” kata Horwath.

Agar para peneliti dapat lebih memahami apa yang mereka pelajari, mereka harus memadatkan semua data menjadi sidik jari yang hanya memuat informasi paling penting tentang sampel. ​“Anda dapat menganggapnya seperti memiliki genom material, yang memiliki semua informasi yang diperlukan untuk merekonstruksi keseluruhan gambar,” kata Horwath.

AI-NERD: Memetakan Sidik Jari Material

Proyek ini disebut Kecerdasan Buatan untuk Dinamika Relaksasi Non-Ekuilibrium, atau AI-NERD. Sidik jari dibuat dengan menggunakan teknik yang disebut autoencoder. Autoencoder adalah jenis jaringan saraf yang mengubah data gambar asli menjadi sidik jari — yang disebut representasi laten oleh para ilmuwan — dan yang juga mencakup algoritma dekoder yang digunakan untuk beralih dari representasi laten kembali ke gambar penuh.

Tujuan para peneliti adalah mencoba membuat peta sidik jari material, mengelompokkan sidik jari dengan karakteristik serupa ke dalam lingkungan. Dengan melihat secara holistik fitur berbagai lingkungan sidik jari pada peta, para peneliti dapat lebih memahami bagaimana material tersebut terstruktur dan bagaimana mereka berevolusi seiring waktu saat mereka diberi tekanan dan relaksasi.

AI, secara sederhana, memiliki kemampuan pengenalan pola umum yang baik, sehingga mampu mengkategorikan berbagai gambar sinar-X secara efisien dan mengurutkannya ke dalam peta. ​“Tujuan AI hanyalah memperlakukan pola hamburan sebagai gambar atau foto biasa dan mengolahnya untuk mengetahui pola yang berulang,” kata Horwath. ​“AI adalah pakar pengenalan pola.”

Penggunaan AI untuk memahami data hamburan akan menjadi sangat penting saat APS yang ditingkatkan mulai beroperasi. Fasilitas yang ditingkatkan akan menghasilkan sinar X yang 500 kali lebih terang daripada APS asli. ​”Data yang kami peroleh dari APS yang ditingkatkan akan membutuhkan kekuatan AI untuk memilahnya,” kata Horwath.

Upaya Kolaboratif dalam Simulasi Dinamika Material

Kelompok teori di CNM berkolaborasi dengan kelompok komputasi di divisi Ilmu Sinar-X Argonne untuk melakukan simulasi molekuler dari dinamika polimer yang ditunjukkan oleh XPCS dan selanjutnya menghasilkan data sintetis untuk melatih alur kerja AI seperti AI-NERD.

Sebuah makalah berdasarkan penelitian ini diterbitkan pada tanggal 15 Juli di Komunikasi Alam.

Referensi: “AI-NERD: Penjelasan dinamika relaksasi di luar keseimbangan melalui spektroskopi korelasi foton sinar-X yang diinformasikan AI” oleh James P. Horwath, Xiao-Min Lin, Hongrui He, Qingteng Zhang, Eric M. Dufresne, Miaoqi Chu, Subramanian KRS Sankaranarayanan, Wei Chen, Suresh Narayanan dan Mathew J. Cherukara, 15 Juli 2024, Komunikasi Alam.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1038/s41467-024-49381-z

Penelitian ini didanai melalui hibah penelitian dan pengembangan yang diarahkan laboratorium Argonne.

Penulis studi tersebut meliputi James (Jay) Horwath, Xiao-Min Lin, Hongrui He, Qingteng Zhang, Eric Dufresne, Miaoqi Chu, Subramanian Sankaranaryanan, Wei Chen, Suresh Narayanan, dan Mathew Cherukara dari Argonne. Chen dan He memiliki jabatan bersama di Universitas Chicagodan Sankaranaryanan memiliki jabatan bersama di Universitas Illinois Chicago.

Para peneliti telah menemukan tatanan gelombang kerapatan muatan jarak jauh yang diinduksi regangan dalam superkonduktor suhu tinggi, yang menjelaskan mekanisme yang mendasarinya.

Superkonduktor adalah material yang mampu menghantarkan listrik tanpa hambatan apa pun saat didinginkan di bawah suhu tertentu yang dikenal sebagai suhu kritis. Material ini digunakan dalam berbagai aplikasi seperti jaringan listrik, kereta maglev, dan peralatan pencitraan medis. Superkonduktor suhu tinggi, yang beroperasi pada suhu kritis yang lebih tinggi daripada superkonduktor konvensional, sangat menjanjikan untuk meningkatkan teknologi ini. Meskipun demikian, mekanisme yang mendasari superkonduktivitasnya belum sepenuhnya dipahami.

Oksida tembaga atau kuprat, golongan superkonduktor suhu tinggi, menunjukkan superkonduktivitas saat elektron dan lubang (ruang kosong yang ditinggalkan oleh elektron) dimasukkan ke dalam struktur kristalnya melalui proses yang disebut doping. Menariknya, dalam keadaan doping rendah, dengan elektron yang kurang optimal diperlukan untuk superkonduktivitas, celah semu – celah parsial dalam struktur elektronik – terbuka. Celah semu ini dianggap sebagai faktor potensial dalam asal usul superkonduktivitas dalam bahan-bahan ini.

Selain itu, penelitian sebelumnya telah mengungkapkan adanya gelombang kerapatan muatan jarak jauh (CDW) dalam rezim kuprat berdoping rendah yang memecah simetri kristal oksida tembaga (CuO₂) bidang. CDW adalah pola elektron seperti gelombang berulang yang memengaruhi konduktivitas material. Pemecahan simetri ini penting karena superkonduktivitas diketahui muncul di dalam atau di dekat keadaan simetri yang rusak. Selain itu, dalam superkonduktor kuprat berbasis bismut, Bi₂Tuan_2-xItu_XCuO_6+jam (Bi2201), telah ditunjukkan bahwa medan magnet yang kuat dapat menginduksi orde CDW pemutusan simetri jarak jauh. Meskipun penelitian telah dilakukan secara ekstensif, peran pasti fenomena ini dalam terjadinya superkonduktivitas dalam kuprat masih belum diketahui.

Dalam sebuah studi baru, tim peneliti yang dipimpin oleh Associate Professor Shinji Kawasaki dari Departemen Fisika di Universitas Okayama, Jepang menyelidiki asal usul superkonduktivitas suhu tinggi dalam keadaan pseudogap kuprat menggunakan pendekatan baru. Prof. Kawasaki menjelaskan, “Dalam studi ini, kami telah menemukan keberadaan orde CDW jarak jauh dalam Bi2201 yang didoping secara optimal, yang disebabkan oleh regangan tarik-tekan yang diterapkan oleh sel regangan uniaxial yang digerakkan piezo baru, yang secara sengaja memecah simetri kristal CuO₂ pesawat.” Temuan mereka dipublikasikan dalam jurnal Komunikasi Alam pada tanggal 14 Juni 2024. Tim tersebut termasuk Ibu Nao Tsukuda dan Profesor Guo-qing Zheng, juga dari Universitas Okayama, dan Dr. Chengtian Lin dari Max-Planck-Institut fur Festkorperforschung, Jerman.

Penemuan dan Implikasi

Para peneliti menggunakan teknik resonansi magnetik nuklir (NMR) untuk mengamati perubahan dalam struktur elektronik superkonduktor Bi2201 yang didoping optimal saat regangan tekan dan tarik uniaxial diterapkan pada material tersebut. Hasilnya mengungkapkan bahwa ketika regangan melebihi 0,15%, material tersebut mengalami transformasi yang signifikan, dengan orde CDW jarak pendek bertransisi menjadi orde CDW jarak jauh. Lebih jauh lagi, peningkatan regangan menekan superkonduktivitas sekaligus meningkatkan orde CDW, yang menunjukkan bahwa baik superkonduktivitas maupun CDW jarak jauh dapat hidup berdampingan. Hasil ini menunjukkan bahwa orde CDW jarak jauh yang tersembunyi, tidak terbatas pada rezim doping rendah, ada dalam keadaan pseudogap cuprates, yang menjadi jelas di bawah regangan.

“Temuan ini menantang kepercayaan umum bahwa magnetisme adalah pendorong utama dalam oksida tembaga dan memberikan wawasan berharga untuk membangun model teoritis superkonduktivitas,” kata Prof. Kawasaki. Menyoroti potensi penerapan studi ini, ia menambahkan, “Temuan studi ini sangat menjanjikan untuk menjelaskan mekanisme yang mendasari superkonduktivitas suhu tinggi, membuka jalan bagi pengembangan bahan superkonduktor yang lebih praktis. Superkonduktor suhu tinggi memiliki potensi besar untuk transmisi dan penyimpanan daya tanpa kehilangan daya, berkontribusi signifikan terhadap konservasi energi dan upaya mencapai netralitas karbon. Lebih jauh lagi, penerapan superkonduktor dalam teknologi MRI berpotensi mengurangi biaya dan membuat pencitraan medis canggih lebih mudah diakses.”

Secara keseluruhan, penelitian ini menandai langkah signifikan menuju pemahaman asal-usul superkonduktivitas suhu tinggi, menyoroti pentingnya regangan uniaxial sebagai alat yang berharga untuk memahami superkonduktivitas pada superkonduktor serupa lainnya.

Referensi: “Urutan gelombang kepadatan muatan jarak jauh yang diinduksi regangan dalam superkonduktor Bi2Sr2−xLaxCuO6 yang didoping optimal” oleh Shinji Kawasaki, Nao Tsukuda, Chengtian Lin dan Guo-qing Zheng, 14 Juni 2024, Komunikasi Alam.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1038/s41467-024-49225-w

Penelitian ini didanai oleh JSPS KAKENHI dan Yayasan Sains dan Pendidikan Murata (SK).

Terletak di Fuente Nueva-3, situs arkeologi Pleistosen Awal ini menyimpan beberapa jejak pemukiman manusia tertua di Eropa Barat.

Para peneliti di Universitas Malaga telah mengungkapkan, dengan cara yang belum pernah terjadi sebelumnya, bahwa situs arkeologi Orce dari Zaman Pleistosen Awal, yang sering disebut sebagai ‘kuburan gajah’ karena banyaknya sisa-sisa gajah yang telah punah jenis Mammuthus meridionalis, sebenarnya menyembunyikan perangkap alami berupa pasir hisap.

Situs Fuente Nueva 3 (FN3), yang terletak di tepi timur laut Depresi Guadix-Baza (Granada), merupakan salah satu endapan Orce yang mengandung beberapa bukti paling awal keberadaan manusia di Eropa Barat –terdiri dari kumpulan litik, yakni batu yang dipahat oleh nenek moyang kita– yang diperkirakan berasal dari satu juta empat ratus ribu tahun yang lalu.

Demikian pula, situs arkeologi ini menyimpan manuports – batu yang tidak dimodifikasi yang digunakan sebagai alat pukul untuk mematahkan tulang dan mengakses sumsum tulang dan, mungkin, juga digunakan sebagai senjata lempar untuk menakut-nakuti hyena – dan fosil mamalia besar yang melimpah, beberapa di antaranya menyimpan tanda-tanda antropogenik yang terkait dengan pengulitan, pemotongan, dan pemrosesan sumsum tulang. Dan juga tulang-tulang dengan bekas gigi yang disebabkan oleh karnivora pemakan bangkai.

Hasil penelitian perintis ini baru-baru ini dipublikasikan di Jurnal Geologi Iberia.

Dua tingkat arkeologi

Menurut penelitian ini, yang dipimpin bersama oleh Profesor Paleontologi di UMA Paul Palmqvist dan Profesor Stratigrafi dan Paleontologi di UMA María Patrocinio Espigares, lapisan subur situs ini memiliki dua tingkat arkeologi yang berbeda: bawah (LAL) dan atas (UAL). Kedua tingkat tersebut menyimpan banyak sisa kerangka dan peralatan litik. Namun, sementara yang pertama menunjukkan kepadatan tinggi dari manuports, yang menunjukkan bahwa aktivitas hominin lebih intens pada tingkat ini, yang kedua menyimpan banyak sisa megaherbivora, khususnya gajah yang telah punah. mamut selatanyang menunjukkan keterlibatan hyena raksasa yang lebih besar.

Dengan demikian, para ilmuwan ini telah menganalisis perbedaan statistik dalam komposisi kumpulan fauna yang terawetkan di kedua tingkat ini dan sedimentologi, khususnya ukuran partikel di lapisan subur kedua tingkat tersebut. Yang terakhir merupakan aspek kunci dalam penelitian, karena menunjukkan dominasi lanau dan lempung di lapisan 2-3 tingkat bawah, dan pasir halus dan sangat halus di lapisan 5 tingkat atas.

“Sedimen pasir halus ini, yang diendapkan dekat dengan danau purba yang ada di wilayah tersebut, juga mengandung air yang sedikit asin, campuran yang menjelaskan bahwa endapan tersebut dapat berfungsi sebagai pasir hisap, tempat hewan-hewan besar terperangkap,” kata para ilmuwan UMA.

Makanan untuk pemulung

Oleh karena itu, para ahli menunjukkan bahwa tingkat terakhir dapat diartikan sebagai perangkap pasir hisap alamiah tempat megaherbivora terperangkap karena beban anggota tubuh mereka yang tinggi, dan bangkai mereka yang setengah tenggelam menarik perhatian para pemulung, baik hyena maupun manusia, yang memakannya dan meninggalkan kumpulan litik dan koprolit – kotoran hyena yang membatu – sebagai bukti kehadiran mereka.

Temuan baru yang ditemukan oleh para peneliti UMA merupakan “tonggak sejarah yang sangat penting untuk memperoleh lebih banyak pengetahuan tentang strategi bertahan hidup para leluhur kita, orang-orang Eropa pertama, dan persaingan mereka dengan hyena pemakan bangkai yang besar untuk mendapatkan akses ke sumber daya daging ini, karena ini adalah pertama kalinya perangkap alami dengan karakteristik ini dideskripsikan dalam endapan fosil yang sangat menarik bagi evolusi manusia.”

Melaksanakan studi lebih rinci yang membedakan tingkat arkeologi atas dan bawah, serta mengkarakterisasi situs penting lainnya di wilayah Orce, seperti Barranco León, yang juga menyumbangkan bukti keberadaan manusia, adalah langkah selanjutnya yang direncanakan oleh tim ilmiah UMA ini, di mana para peneliti dari Universitas Complutense Madrid dan Tarragona juga berpartisipasi.

Lebih dari satu dekade penelitian UMA di Orce

Universitas Malaga telah meneliti lokasi Fuente Nueva 3 selama beberapa dekade. Publikasi pertama UMA yang menyoroti pentingnya tempat ini, pada tahun 2013, menggambarkan kerangka gajah parsial yang dikelilingi oleh serpihan batu api dan kotoran hewan, yang membuktikan adanya persaingan antara kedua pemulung super ini untuk mendapatkan sumber daya bangkai.

Referensi: “Situs Pleistosen Awal Akhir di Fuente Nueva-3 (Depresi Guadix-Baza, Spanish Tenggara): jamban hyena yang dikembangkan di atas perangkap pasir hisap untuk megaherbivora?” oleh Paul Palmqvist, Isidoro Campaña, Alejandro Granados, Bienvenido Martínez-Navarro, Alejandro Pérez-Ramos, Guillermo Rodríguez-Gómez, Antonio Guerra-Merchán, Sergio Ros-Montoya, María Dolores Rodríguez-Ruiz, José Manuel García-Aguilar, Víctor Hernández dan M.Patrocinio Espigares, 26 Mei 2024, Jurnal Geologi Iberia.
DOI: 10.1007/s41513-024-00241-1

Penelitian baru menjelaskan sebagian kinerja luar biasa dari kelas baru semikonduktor organik yang disebut akseptor non-fullerene (NFA).

Energi surya memainkan peran penting dalam transisi menuju masa depan energi bersih. Biasanya, silikon, semikonduktor umum yang ditemukan dalam peralatan elektronik sehari-hari, digunakan untuk memanen energi surya. Namun, panel surya silikon memiliki keterbatasan—biayanya mahal dan sulit dipasang pada permukaan melengkung.

Para peneliti telah mengembangkan bahan-bahan alternatif untuk pemanenan energi surya guna mengatasi kekurangan tersebut. Di antara bahan-bahan yang paling menjanjikan adalah yang disebut “organik” semikonduktorsemikonduktor berbasis karbon yang melimpah di Bumi, lebih murah, dan ramah lingkungan.

“Mereka berpotensi menurunkan biaya produksi panel surya karena bahan-bahan ini dapat dilapisi pada permukaan apa pun menggunakan metode berbasis larutan – seperti cara kita mengecat dinding,” kata Wai-Lun Chan, profesor madya fisika dan astronomi di Universitas Kansas. “Bahan-bahan organik ini dapat disesuaikan untuk menyerap cahaya pada panjang gelombang tertentu, yang dapat digunakan untuk membuat panel surya transparan atau panel dengan warna berbeda. Karakteristik ini membuat panel surya organik sangat cocok untuk digunakan di bangunan hijau dan berkelanjutan generasi mendatang.”

Meskipun semikonduktor organik telah digunakan dalam panel tampilan elektronik konsumen seperti ponsel, TV, dan headset realitas virtual, semikonduktor organik belum banyak digunakan dalam panel surya komersial. Salah satu kekurangan sel surya organik adalah efisiensi konversi cahaya ke listriknya yang rendah, sekitar 12% dibandingkan sel surya silikon kristal tunggal yang memiliki efisiensi 25%.

Menurut Chan, elektron dalam semikonduktor organik biasanya terikat pada pasangan positifnya yang dikenal sebagai “lubang.” Dengan cara ini, cahaya yang diserap oleh semikonduktor organik sering kali menghasilkan kuasipartikel netral yang dikenal sebagai “eksiton.”

Terobosan dengan Akseptor Non-Fullerene

Namun, perkembangan terkini dari kelas baru semikonduktor organik yang dikenal sebagai akseptor non-fullerene (NFA) mengubah paradigma ini. Sel surya organik yang dibuat dengan NFA dapat mencapai efisiensi mendekati angka 20%.

Meskipun kinerjanya luar biasa, masih belum jelas bagi komunitas ilmiah mengapa kelas NFA baru ini secara signifikan mengungguli semikonduktor organik lainnya.

Dalam sebuah studi terobosan yang muncul di Materi LanjutanChan dan timnya, termasuk mahasiswa pascasarjana Kushal Rijal (penulis utama), Neno Fuller dan Fatimah Rudayni dari departemen Fisika dan Astronomi, dan bekerja sama dengan Cindy Berrie, profesor kimia di KU, telah menemukan mekanisme mikroskopis yang memecahkan sebagian kinerja luar biasa yang dicapai oleh NFA.

Kunci dari penemuan ini adalah pengukuran yang dilakukan oleh penulis utama Rijal menggunakan teknik eksperimental yang dijuluki “time-resolved two foto spektroskopi fotoemisi” atau TR-TPPE. Metode ini memungkinkan tim melacak energi elektron yang tereksitasi dengan resolusi waktu sub-pikodetik (kurang dari sepertriliun detik).

“Dalam pengukuran ini, Kushal (Rijal) mengamati bahwa beberapa elektron yang tereksitasi secara optik di NFA dapat memperoleh energi dari lingkungan alih-alih kehilangan energi ke lingkungan,” kata Chan. “Pengamatan ini berlawanan dengan intuisi karena elektron yang tereksitasi biasanya kehilangan energinya ke lingkungan seperti secangkir kopi panas yang kehilangan panasnya ke lingkungan sekitar.”

Tim, yang karyanya didukung oleh Kantor Ilmu Energi Dasar Departemen Energi, meyakini proses yang tidak biasa ini terjadi pada skala mikroskopis berkat perilaku kuantum elektron, yang memungkinkan elektron yang tereksitasi muncul secara bersamaan pada beberapa molekul. Keanehan kuantum ini berpasangan dengan Hukum Termodinamika Kedua, yang menyatakan bahwa setiap proses fisik akan menyebabkan peningkatan entropi total (sering dikenal sebagai “ketidakteraturan”) untuk menghasilkan proses perolehan energi yang tidak biasa.

“Dalam kebanyakan kasus, benda panas mentransfer panas ke lingkungannya yang dingin karena perpindahan panas menyebabkan peningkatan entropi total,” kata Rijal. “Tapi kami menemukan bahwa molekul organik yang tersusun dalam bentuk tertentu skala nano struktur, arah aliran panas yang khas dibalik agar entropi total meningkat. Aliran panas terbalik ini memungkinkan eksiton netral memperoleh panas dari lingkungan dan terdisosiasi menjadi sepasang muatan positif dan negatif. Muatan bebas ini pada gilirannya dapat menghasilkan arus listrik.”

Implikasi bagi Solusi Energi Masa Depan

Berdasarkan temuan eksperimen mereka, tim mengusulkan bahwa mekanisme pemisahan muatan berbasis entropi ini memungkinkan sel surya organik yang dibuat dengan NFA mencapai efisiensi yang jauh lebih baik.

“Memahami mekanisme pemisahan muatan yang mendasarinya akan memungkinkan para peneliti merancang nanostruktur baru untuk memanfaatkan entropi guna mengarahkan aliran panas, atau energi, pada skala nano,” kata Rijal. “Meskipun entropi merupakan konsep yang terkenal dalam fisika dan kimia, konsep ini jarang digunakan secara aktif untuk meningkatkan kinerja perangkat konversi energi.”

Tidak hanya itu: Sementara tim KU meyakini mekanisme yang ditemukan dalam penelitian ini dapat dimanfaatkan untuk menghasilkan sel surya yang lebih efisien, mereka juga berpikir hal itu dapat membantu para peneliti merancang fotokatalis yang lebih efisien untuk produksi bahan bakar surya, suatu proses fotokimia yang menggunakan sinar matahari untuk mengubah karbon dioksida menjadi bahan bakar organik.

Referensi: “Pemisahan Muatan Endotermik yang Terjadi Secara Spontan pada Akseptor Polimer Massal Non-Fullerene/Heterojunction” oleh Kushal Rijal, Neno Fuller, Fatimah Rudayni, Nan Zhang, Xiaobing Zuo, Cindy L. Berrie, Hin-Lap Yip dan Wai-Lun Chan, Mei 19 Agustus 2024, Materi Lanjutan.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1002/adma.202400578

Teknologi baru dapat meningkatkan metode penyimpanan dan pemindahan data.

Komputasi kuantum memanfaatkan prinsip-prinsip mekanika kuantum untuk mengatasi tantangan kompleks di berbagai bidang, termasuk kedokteran dan pembelajaran mesinyang melampaui kemampuan komputer tradisional. Simulator kuantum, yang terdiri dari unit kuantum yang berinteraksi dan dapat diprogram, memungkinkan para ilmuwan untuk meniru model dunia fisik yang rumit. Dengan menyesuaikan interaksi ini dan mengamati perilaku simulator, para peneliti dapat memperoleh wawasan tentang model ini dan, secara tidak langsung, dunia nyata.

Dalam sebuah makalah yang diterbitkan di Ulasan Fisik Bdan dipilih oleh jurnal sebagai saran editor, tim peneliti yang dipimpin UC Riverside telah mengusulkan rantai objek magnetik kuantum, yang disebut pusat spin, yang, dengan adanya medan magnet eksternal, dapat mensimulasikan kuantum berbagai fase magnetik materi serta transisi antara fase-fase ini.

“Kami tengah merancang perangkat baru yang menampung pusat spin dan dapat digunakan untuk mensimulasikan dan mempelajari fenomena fisik menarik yang tidak dapat dipelajari sepenuhnya dengan komputer klasik,” kata Shan-Wen Tsai, seorang profesor fisika dan astronomi, yang memimpin tim peneliti tersebut. “Pusat spin dalam material solid-state merupakan objek kuantum terlokalisasi dengan potensi besar yang belum dimanfaatkan untuk desain simulator kuantum baru.”

Menurut Troy Losey, mahasiswa pascasarjana Tsai dan penulis pertama makalah tersebut, kemajuan pada perangkat ini dapat memungkinkan penelitian tentang cara yang lebih efisien dalam menyimpan dan mentransfer informasi, sekaligus mengembangkan metode yang dibutuhkan untuk menciptakan komputer kuantum suhu ruangan.

“Kami memiliki banyak ide tentang cara melakukan penyempurnaan pada simulator kuantum berbasis pusat spin dibandingkan dengan perangkat yang diusulkan awal ini,” katanya. “Dengan menggunakan ide-ide baru ini dan mempertimbangkan pengaturan pusat spin yang lebih kompleks, dapat membantu menciptakan simulator kuantum yang mudah dibangun dan dioperasikan, sekaligus tetap mampu mensimulasikan fisika yang baru dan bermakna.”

Di bawah ini, Tsai dan Losey menjawab beberapa pertanyaan tentang penelitian tersebut:

T: Apa yang dimaksud dengan simulator kuantum?

Tsai: Ini adalah perangkat yang memanfaatkan perilaku mekanika kuantum yang tidak biasa untuk mensimulasikan fisika menarik yang terlalu sulit untuk dihitung oleh komputer biasa. Tidak seperti komputer kuantum yang beroperasi dengan qubit dan operasi gerbang universal, simulator kuantum dirancang secara individual untuk mensimulasikan/memecahkan masalah tertentu. Dengan mengorbankan kemampuan pemrograman universal komputer kuantum demi memanfaatkan kekayaan interaksi kuantum dan susunan geometris yang berbeda, simulator kuantum mungkin lebih mudah diimplementasikan dan menyediakan aplikasi baru untuk perangkat kuantum, yang relevan karena komputer kuantum belum berguna secara universal.

Pusat putaran adalah suatu bentuk atomObjek magnetik kuantum berukuran 1,5 inci yang dapat ditempatkan dalam kristal. Objek ini dapat menyimpan informasi kuantum, berkomunikasi dengan pusat spin lainnya, dan dikendalikan dengan laser.

T: Apa saja aplikasi dari karya ini?

Losey: Kita dapat membangun simulator kuantum yang diusulkan untuk mensimulasikan fase magnetik materi yang eksotis dan transisi fase di antara fase-fase tersebut. Transisi fase ini sangat menarik karena pada transisi ini perilaku sistem yang sangat berbeda menjadi identik, yang menyiratkan bahwa ada fenomena fisik mendasar yang menghubungkan sistem-sistem yang berbeda ini.

Teknik yang digunakan untuk membangun perangkat ini juga dapat digunakan untuk komputer kuantum berbasis spin-center, yang merupakan kandidat utama untuk pengembangan komputer kuantum suhu ruangan, sedangkan sebagian besar komputer kuantum memerlukan suhu yang sangat dingin agar dapat berfungsi. Lebih jauh, perangkat kami mengasumsikan bahwa spin-center ditempatkan dalam garis lurus, tetapi memungkinkan untuk menempatkan spin-center dalam pengaturan hingga 3 dimensi. Hal ini dapat memungkinkan untuk mempelajari perangkat informasi berbasis spin yang lebih efisien daripada metode yang saat ini digunakan oleh komputer.

Karena simulator kuantum lebih mudah dibuat dan dioperasikan daripada komputer kuantum, saat ini kita dapat menggunakan simulator kuantum untuk memecahkan masalah tertentu yang tidak dapat diselesaikan oleh komputer biasa, sambil menunggu komputer kuantum menjadi lebih canggih. Namun, ini tidak berarti bahwa simulator kuantum dapat dibuat tanpa tantangan, karena kita baru saja mendekati kemampuan untuk memanipulasi pusat spin, menumbuhkan kristal murni, dan bekerja pada suhu rendah untuk membangun simulator kuantum yang kami usulkan.

Referensi: “Simulasi kuantum model spin-12 XYZ menggunakan pusat spin solid-state” oleh Troy Losey, Denis R. Candido, Jin Zhang, Y. Meurice, Michael E. Flatté dan S.-W. Tsai, 8 Juli 2024, Ulasan Fisik B.
Nomor Induk Kependudukan: 10.1103/PhysRevB.110.014413