Molekul Baru Membuat Fotosintesis Buatan Mendekati Kenyataan

Mengganti Fotosintesis Alami

Secara langsung maupun tidak langsung, sebagian besar energi yang kita gunakan dihasilkan melalui fotosintesis.

Hal ini tentu berlaku bagi kalori yang memberi tenaga pada tubuh kita, tetapi pada akhirnya juga berlaku bagi bahan bakar fosil, yang pada dasarnya merupakan hasil fotosintesis yang “tersimpan” dari tumbuhan yang mati jutaan tahun lalu.

Karena itu, banyak upaya untuk membuat sistem energi dan pangan lebih ramah lingkungan diarahkan pada peningkatan fotosintesis alami atau pemanfaatannya untuk kegunaan baru, seperti membuat bahan bakar hayati dari alga.

Menerapkannya dalam skala besar dapat menjadi langkah penting untuk membatasi peningkatan konsentrasi CO2 di atmosfer.

Namun, bagaimana jika kita dapat meniru proses fotosintesis tanpa harus menggunakan organisme hidup? Bagaimanapun, fotosintesis merupakan proses elektrokimia yang tidak selalu memerlukan sel hidup. Inilah gagasan yang ditawarkan oleh apa yang disebut “fotosintesis buatan”.

Teknologi ini akan meningkatkan kemampuan kita menangkap energi matahari satu tingkat di atas fotovoltaik, yang “hanya” dapat menghasilkan listrik dari sinar matahari tetapi tidak secara langsung memengaruhi reaksi kimia.

Sejumlah kemajuan telah dicapai, terutama menuju produksi hidrogen yang menyerupai fotosintesis, tetapi masih diperlukan lebih banyak penelitian untuk menghasilkan tiruan yang lebih mendekati proses alami.

Bagaimana Fotosintesis Bekerja di Alam

Pada tumbuhan, fotosintesis dalam bentuk paling sederhananya dapat dijelaskan sebagai proses menyerap CO2 dan air, menggunakan cahaya sebagai sumber energi, lalu menghasilkan karbohidrat dan oksigen.

Sumber: Britannica

Sekilas, proses ini tampak dapat diringkas menjadi persamaan kimia yang sangat sederhana dan mudah ditiru secara buatan.

Sumber: Britannica

Namun, kenyataannya jauh lebih rumit ketika kita melihat bagaimana proses tersebut benar-benar berlangsung.

Fotosintesis pada tumbuhan sebenarnya merupakan salah satu mekanisme biokimia paling kompleks, dengan puluhan reaksi perantara, begitu banyak subkomponen, dan mekanisme molekuler yang terkadang belum dipahami dengan baik serta melibatkan perpindahan elektron yang rumit.

Penjelasan ringkas mengenai topik ini dalam ensiklopedia Britannica saja mencapai tidak kurang dari 10.000 kata.

Para ilmuwan yang mempelajarinya harus menghadapi skema yang jauh lebih rumit hanya untuk memperoleh gambaran umum tentang fotosintesis:

Sumber: Lumen Learning

Meskipun di alam terutama digunakan untuk menghasilkan karbohidrat, secara teori fotosintesis dapat dimanfaatkan untuk banyak aplikasi lain yang menggunakan cahaya sebagai sumber energi, misalnya menyintesis hidrogen dari air (fotokatalisis).

Proses serupa yang menggerakkan elektron dan ion dengan bantuan cahaya juga dapat digunakan untuk membuat gula secara buatan. Gagasan inilah yang sedang diteliti oleh tiga ilmuwan di Universitas Basel, Swiss. Mereka baru-baru ini menerbitkan hasil penelitian mengenai molekul baru yang dapat digunakan untuk fotosintesis buatan di Nature Chemistry¹ dengan judul “Akumulasi muatan ganda yang dipicu cahaya dalam senyawa molekuler”.

Membangun Klorofil Buatan

Molekul Multi-Muatan

Fotosintesis alami bergantung pada serangkaian reaksi elektrokimia. Karena itu, proses tersebut memerlukan apa yang disebut keadaan pemisahan muatan (CSS), yaitu kondisi ketika sebuah molekul membawa muatan positif dan negatif secara bersamaan.

Reaksi pembentukan bahan bakar memerlukan beberapa elektron, bukan hanya satu, sedangkan selama ini sistem fotosintesis buatan terbaik baru mampu memindahkan satu elektron.

Khusus untuk reduksi CO2, transfer banyak elektron tampaknya sangat penting. Hal ini juga menjelaskan mengapa sebagian besar solusi fotosintesis buatan sejauh ini justru berfokus pada produksi hidrogen.

Temuan para peneliti Swiss mengubah keadaan ini melalui pembuatan molekul khusus yang dapat menghasilkan dan menyimpan empat muatan sekaligus ketika disinari, yaitu dua muatan positif dan dua muatan negatif.

Sumber: Nature

Bagaimana Cara Kerjanya?

Molekul tersebut memiliki bagian tengah yang peka terhadap cahaya dan memicu perpindahan elektron sebagai respons. Para peneliti menggunakan pendekatan berurutan dengan dua kilatan cahaya.

Kilatan cahaya pertama mengenai molekul dan memicu reaksi yang menghasilkan muatan positif dan negatif, lalu masing-masing bergerak menuju ujung molekul yang berlawanan.

Pada kilatan cahaya kedua, reaksi yang sama kembali terjadi sehingga molekul kemudian mengandung dua muatan positif dan dua muatan negatif.

Sumber: Nature

Sensitivitas Cahaya yang Ditingkatkan

Langkah berurutan yang menggunakan cahaya dalam proses dua tahap ini tidak hanya penting untuk mengakumulasi dua muatan listrik pada masing-masing ujung molekul, tetapi juga mengurangi energi yang dibutuhkan pada setiap tahap sehingga molekul dapat bekerja pada intensitas cahaya yang lebih rendah daripada sebelumnya.

Sumber: Nature

“Hasilnya, kami kini sudah mendekati intensitas sinar matahari.

Penelitian sebelumnya memerlukan sinar laser yang sangat kuat, yang masih sangat jauh dari visi fotosintesis buatan.”

Mathis Brändlin – Mahasiswa PhD di Universitas Basel

Mengapa Molekul Ini Merupakan Langkah Kunci ke Depan

Keunggulan lain molekul baru ini adalah kemampuannya mempertahankan muatan cukup lama untuk menggerakkan reaksi kimia lanjutan, sebuah syarat mutlak bagi sistem fotosintesis buatan yang lengkap.

“Kami telah menemukan dan menerapkan satu bagian penting dari teka-teki ini.

Kami berharap hal ini dapat membantu kami membuka peluang baru bagi masa depan energi yang berkelanjutan.

Prof. Oliver Wenger – Universitas Basel

Dengan masa retensi muatan selama 120 mikrodetik, seribu hingga sejuta kali lebih baik daripada sebelumnya, waktunya seharusnya cukup untuk berlangsungnya reaksi kimia, meskipun durasi ideal akan diukur dalam hitungan detik.

Dibandingkan molekul peka cahaya bermuatan tunggal atau hanya memiliki satu jenis muatan yang diuji dalam eksperimen sebelumnya, molekul ini merupakan kandidat paling menjanjikan sejauh ini untuk mengembangkan fotosintesis buatan.

Penyempurnaan lebih lanjut pada desainnya dapat meningkatkan kemampuan molekul untuk bekerja pada intensitas cahaya alami atau mempertahankan muatan listrik lebih lama lagi.

Bagian penting lain dari proses fotosintesis buatan yang masih harus dirancang adalah pigmen dengan keadaan tereksitasi berenergi tinggi, serta katalis yang sesuai untuk menyediakan daya redoks yang cukup bagi pemisahan air atau reduksi CO2.

Geser untuk menggulir →

Berinvestasi dalam Inovasi Berkelanjutan

DuPont

DuPont adalah perusahaan kimia raksasa dengan banyak bahan kimia bermerek penting, seperti Kevlar, Styrofoam, Nomex (pelindung kebakaran), Great Stuff (perekat konstruksi), dan lainnya. Riset polimer canggih serta merek bahan pelindungnya dapat menempatkan perusahaan pada posisi yang baik untuk memanfaatkan teknologi metamaterial jaringan ganda.

DuPont adalah perusahaan yang telah lama berdiri dengan sejarah akuisisi yang kompleks dan, belakangan ini, serangkaian pemisahan usaha.

Sumber: DuPont

Pemisahan tersebut mengeluarkan divisi nutrisi dan biosains dari DuPont, yang sebagian dijual kepada Corteva Biosciences (CTVA -0,95%), bisnis produk titanium yang membentuk Chemours Company (CC )  (CC -1,05%), serta bisnis mobilitas.

Perusahaan juga akan memisahkan bisnis bahan kimia elektroniknya pada November 2025, tetapi tetap mempertahankan segmen air (membran dan filter untuk pemurnian air serta desalinasi), berbeda dari rencana sebelumnya.

Sumber: DuPont

Langkah ini akan membuat DuPont menjadi perusahaan yang jauh lebih terfokus, dengan kegiatan utama pada polimer canggih untuk pemurnian air dan peralatan pelindung, serta material canggih untuk kedirgantaraan, layanan kesehatan, dan kendaraan listrik.

Sumber: DuPont

DuPont benar-benar merupakan perusahaan internasional, dengan permintaan tinggi terhadap bahan kimia khusus untuk pemurnian air dan manufaktur industri.

Sektor yang dilayani bahan kimia DuPont juga sangat beragam, termasuk konstruksi, pemurnian air, industri elektronik, otomotif, kedirgantaraan, layanan kesehatan, energi hijau, dan produksi industri.

Sumber: DuPont

Dalam bidang fotosintesis buatan, perusahaan kimia ini mengembangkan teknologinya melalui kemitraan dengan kalangan akademik, terutama Penn State University.

“Tujuan penelitian kolaboratif ini adalah mengembangkan protokol komputasi yang dapat diterapkan secara luas … untuk mempercepat pemilihan material fotoaktif yang mampu memisahkan air menjadi hidrogen dan oksigen secara efisien.”

Kehadiran DuPont yang kuat di bidang peralatan pelindung serta posisi mapan merek Kevlar, sebuah polimer berkinerja tinggi, seharusnya membantu perusahaan mengadaptasi bentuk baru metamaterial menjadi produk komersial. Kiprahnya dalam energi hijau juga dapat membantu mengomersialkan bahan kimia untuk proses fotosintesis buatan ketika teknologi tersebut siap digunakan secara komersial.

Seiring berkembangnya teknologi baru dan meningkatnya konsumsi air, permintaan terhadap bahan kimia canggih yang diproduksi DuPont juga terus bertambah.

Berita dan Perkembangan Saham Dupont (DD) Terbaru

Studi yang Dirujuk

^{1. Brändlin, M., Pfund, B. & Wenger, O.S. Akumulasi muatan ganda yang dipicu cahaya dalam senyawa molekuler. Nature. Chemistry. (2025). https://doi.org/10.1038/s41557-025-01912-x}