Hideki Shirakawa dan Polimer konduktif

Hideki Shirakawa, salah seorang penemu di bidang polimer konduktif (atau yang lebih dikenal sebagai ”logam sintesis“), adalah seorang kimiawan yang pada tahun 1977, bertanggung jawab terhadap perkembangan teknologi dalam hal doping poliasetilen (CH)_x secara kimiawi dan secara elektrokimia. Hideki Shirakawa mendapatkan hadiah Nobel kimia pada tahun 2000 bersama Alan J. Heeger dan Alan G. McDiarmid. Akademi sains kerajaan Swedia menghadiahkan nobel pada ketiganya untuk penemuan dan pengembangan polimer konduktif.

Hideki Shirakawa dilahirkan di Tokyo pada tanggal 20 Agustus 1936. Setelah lulus dari Tokyo Institute of Technology dalam bidang teknik kimia pada tahun 1961, dia kemudian melanjutkan kuliah pasca sarjana di universitas yang sama dan menerima gelar doktor dalam bidang teknik pada tahun 1966. Selanjutnya dia bekerja sebagai asisten pada Laboratorium Sumber daya Kimia pada universitas yang sama sampai tahun 1976, dimana dia kemudian menjadi seorang peneliti di Unversity of Pennsylvania Amerika Serikat.

Tiga tahun kemudian, dia kembali ke Jepang dan bergabung menjadi staf di University of Tsukuba sebagai asosiate professor (suatu tingkat di atas asisten profesor, namun di bawah profesor penuh). Pada tahun 1982 dia kemudian menjadi profesor penuh, dan pada bulan April 2000 dia ditunjuk sebagai profesor emeritus. Tahun 1983 dia menerima penghargaan dari Perkumpulan polimer Jepang untuk risetnya dalam poliasetilena.

Hideki Shirakawa, seorang profesor emeritus pada Universitas Tsukuba, telah ditetapkan sebagai penerima hadiah nobel tahun 2000. Hadiah tersebut diberikan kepadanya bersama dengan dua ilmuwan AS, yaitu Alan Heeger (64 tahun) dari University of California di Santa Barbara, dan Alan McDiarmid (73 tahun) dari University of Pennsylvania untuk kerja keras mereka menemukan dan mengembangkan polimer konduktif, atau plastik yang dapat menghantarkan arus listrik. Shirakawa adalah orang Jepang kesembilan yang menerima hadiah nobel (secara umum), dan yang kedua setelah Ken'ichi Fukui yang memenangkan nobel kimia pada tahun 1981.

Bagaimana plastik bisa menghantarkan listrik ?

Plastik adalah salah satu bentuk polimer, suatu rangkaian molekul yang berbentuk rantai panjang, dengan unit yang berulang-ulang seperti manik-manik pada kalung. Supaya menjadi konduktor listrik, suatu polimer harus meniru logam, yaitu elektronnya harus dapat bergerak bebas dan tidak terikat pada atom. Maka, pertama-tama polimer harus memiliki ikatan rangkap dan tunggal yang bergantian (mengalami konjugasi). Akan tetapi, hal ini tidak cukup. Untuk menjadi penghantar listrik, plastik harus “dikacaukan” baik dengan cara menghilangkan elektron (oksidasi), maupun memasukkan elektron ke dalamnya (reduksi). Proses ini dinamakan dengan doping.

Apa yang ditemukan oleh Heeger, McDiarmid, dan Shirakawa adalah bahwa lapisan tipis film poliasetilen dapat dioksidasi dengan uap iodin, sehingga meningkatkan daya hantar listriknya menjadi milyaran kali. Penemuan sensasional ini adalah hasil dari kerja keras yang menakjubkan, awal dari lahirnya teknologi modern yang memiliki aplikasi sangat luas.

Akan tetapi, sebenarnya penemuan ini didapat karena ketidaksengajaan. Penemuan tersebut diperoleh dari proses yang tidak diinginkan. Suatu penemuan yang bagi sebagian orang, mungkin akan dibuang dan dianggap suatu kegagalan.

Bagaimana konduktivitas polimer terkuak ?

Yang menjadi inti dari cerita ini adalah senyawa hidrokarbon poliasetilen, suatu molekul berbentuk datar dengan sudut 120 derajat diantara ikatannya sehingga memiliki dua bentuk yang berbeda, yaitu isomer cis-poliasetilen dan trans-poliasetilen.

Gb. 1 Proses pembentukan poliasetilen

Cerita tentang polimer konduktif dimulai pada tahun 1960-an. Pada waktu itu, Shirakawa sedang melakukan riset PhD-nya di bawah bimbingan Sakuji Ikeda di Tokyo Institute of Technology, untuk memebuat polimer dari asetilen menggunakan katalis Ziegler-Natta, suatu katalis yang biasa digunakan untuk membuat polimer. Shirakawa ingin menjelaskan proses polimerisasi molekul yang berikatan rangkap tiga tersebut.

Suatu hari, karena terjadi miskomunikasi, seorang pelajar magang yang berasal dari korea menambahkan katalis dalam jumlah yang melebihi aturan, sekitar 1000 kali dari yang seharusnya. Akibatnya, suatu material yang mengkilap dan mirip film, terbentuk di permukaan larutan katalis. Shirakawa terkesima dengan penemuan ini. Hasil ini jauh lebih menarik daripada serbuk coklat poliasetilen yang seharusnya terbentuk. Efek dari konsentrasi katalis yang tinggi rupanya menghasilkan lebih banyak rantai polimer.

Shirakawa akhirnya merancang prosedur untuk mensintesis sejumlah besar film poliasetilen dan untuk mengontrol komposisi dari dua bentuk isomer dari poliasetilen (isomer cis dan isomer trans). Film keperakan yang dihasilkan adalah trans-poliasetilen, dan reaksi yang serupa pada suhu yang lain menghasilkan film yang berwarna merah muda seperti tembaga. Film yang kedua ini hampir keseluruhannya terdiri dari cis-poliasetilen. 

 Gb. 2 cis-poliasetilen berwarna merah muda seperti tembaga, sedangkan trans-poliasetilen berwarna keperakan

Cara ini (membuat variasi dalam hal suhu dan konsentrasi katalis), menjadi sangat menentukan pada pengembangan selanjutnya. Penampakan metalik dari hasil reaksi menjadikan kimiawan berfikir kemungkinan sifat logam yang dimilikinya. Dalam bentuk yang aslinya, senyawa poliasetilen bukanlah konduktor yang baik.

Di bagian dunia yang lain, seorang kimiawan, McDiarmid dan seorang Fisikawan, Heeger, sedang bereksperimen dengan film yang mirip logam dari polimer anorganik sulfur nitrida (SN)_x. McDiarmid menunjukkan hal ini pada suatu seminar di Tokyo. Pada saat istirahat, McDiarmid dan Shirakawa bertemu secara tidak sengaja, dan inilah awal mula dari penemuan besar yang akan terjadi selanjutnya.

Ketika McDiarmid mendengar tentang penemuan Shirakawa dalam polimer organik yang juga berkilau seperti perak, dia mengundang Shirakawa ke University of Pennsylvania di Philadelphia. Mereka mencoba memodifikasi poliasetilen melalui oksidasi menggunakan uap iodin. Shirakawa mengetahui bahwa sifat optik berubah karena proses oksidasi dan McDiarmid menyarankan bahwa mereka meminta Heeger untuk menelaah film yang mereka hasilkan. Salah satu mahasiswa Heeger kemudian mengukur konduktivitas dari film trans-poliasetilen yang sudah didoping menggunakan iodin, dan hasilnya – eureka ! Konduktivitasnya meningkat sampai puluhan juta kali !

Pada musim panas tahun 1977, Heeger, McDiarmid, Shirakawa, dan kawan-kawan, mempublikasikan penemuan mereka dalam artikel “Synthesis of electrically conducting organic polymers : Halogen derivatives of polyacetylene (CH)_n” dalam Jurnal of Chemical Society. Penemuan ini merupakan kemajuan yang sangat besar, karena kemudian bidang ini (polimer konduktif) melesat maju dengan cepatnya, mendorong kemajuan pada banyak bidang lain baik yang baru maupun yang sudah ada.

Doping – untuk penampilan molekul yang lebih baik

Apa yang sebenarnya terjadi pada film poliasetilen ? Ketika kita membandingkan beberapa senyawa yang sudah umum dikaitkan dengan konduktivitasnya, kita melihat bahwa konduktivitas dari polimer sangat bervariasi. Poliasetilen yang telah didoping dapat disandingkan dengan konduktor seperti tembaga ataupun perak dalam hal konduktivitasnya, sementara dalam bentuk aslinya, polimer ini bersifat semikonduktor. Kawat logam dapat menghantarkan arus listrik karena elektron pada logam tersebut dapat bergerak dengan bebas. Lalu, bagaimana konduktivitas dari polimer yang didoping dapat dijelaskan sifatnya?

Ketika menggambarkan molekul polimer, kita membedakan antara ikatan sigma (σ) dan ikatan pi (π). Ikatan-ikatan ini bersifat kaku dan tidak dapat bergerak bebas. Mereka membentuk ikatan kovalen diantara atom-atom karbon. Elektron-elektron yang terletak pada ikatan rangkap terkonjugasi (ikatan rangkap yang berselang-seling dengan ikatan tunggal) juga relatif terlokalisasi (beredar di tempat tertentu), meskipun sedikit lebih bebas daripada elektron yang membentuk ikatan sigma dan pi.

Gb. 3 Perbandingan ikatan tunggal (kiri), rangkap (tengah), dan ikatan rangkap terkonjugasi (kanan)

Sebelum arus dapat mengalir melalui molekul polimer, satu atau lebih elektron harus dihilangkan dari dalamnya, atau sebaliknya, ditambahkan ke dalamnya. Jika medan listrik kemudian diberikan, maka elektron-elektron penyusun ikatan dapat bergerak secara cepat sepanjang rantai molekul. Konduktivitas dari material plastik yang mengandung banyak rantai polimer, akan terbatas karena elektron-elektron harus “melompat” dari satu molekul ke molekul berikutnya. Jadi, rantai tersebut harus membentuk rantai yang teratur.

Sebagaimana diuraikan sebelumnya, ada dua jenis doping, oksidasi dan reduksi. Dalam kasus poliasetilen, reaksinya dapat dituliskan sebagai berikut :

Oksidasi menggunakan halogen (p-doping): [CH]_n + x I₂ –> [CH]_n^x+ + x I₃^-

Reduksi menggunakan logam alkali (n-doping): [CH]_n + x Na –> [CH]_n^x- + x Na⁺

Polimer yang telah didoping disebut dengan garam. Akan tetapi, bukan ion iodida atau ion natrium yang bergerak untuk menghasilkan arus listrik, namun elektron yang berasal dari ikatan rangkap terkonjugasi-lah yang melakukannya. Lebih lanjut lagi, jika medan listrik yang cukup kuat diberikan, maka ion iodida dan ion natrium dapat bergerak baik menuju ataupun menjauhi polimer. Ini artinya bahwa arah dari reaksi doping dapat dikontrol dan polimer konduktif dapat dengan mudah dihidupkan atau dimatikan.

Polaron – rantai karbon terdoping

Dalam reaksi pertama (yaitu oksidasi), molekul iodin menarik elektron dari rantai poliasetilen dan berubah menjadi ion I₃^-. Molekul poliasetilen (yang sekarang menjadi bermuatan positif), kemudian diistilahkan sebagai kation radikal atau polaron. Elektron tak berpasangan yang berasal dari ikatan rangkap (yang salah satu elektronnya diambil), dapat bergerak dengan bebas. Konsekwensinya, ikatan rangkap pun dapat “bergerak” (secara estafet) sepanjang molekul.

Muatan positif di lain fihak, dikuatkan oleh gaya tarik elektrostatik terhadap ion iodida, yang tidak begitu mudah bergerak. Jika rantai poliasetilen teroksidasi sangat kuat, polaron mengalami kondensasi menjadi soliton. Soliton inilah yang bertanggung jawab, dengan cara yang sangat kompleks, terhadap transport muatan sepanjang rantai polimer, sebagaimana halnya dari rantai ke rantai dalam skala makroskopis.

Penemuan hideki shirakawa dan kawan-kawan menjadi awal dari era baru dalam hal teknologi komputer. Penemuannya telah banyak tersedia di sekeliling kita, di antaranya adalah baterai telepon genggam dan touch-screen (layar sentuh).

 Gb. 4. Layar Touch Screen banyak digunakan dalam peralatan tablet (atas). Cara kerja layar touch screen (bawah)

Sumber : http://nitum.wordpress.com/2012/09/29/biography-of-hideki-shirakawa/