femtokimia

Sekelumit tentang femtokimia 

Pergerakan yang sebenarnya dari atom yang terlibat dalam reaksi kimia belum pernah diamati secara langsung dalam sejarah perkembangan kimia. Pemutusan ikatan kimia, pembentukan, atau perubahan secara geometri terjadi dengan kecepatan yang luar biasa mengagumkan. Perubahan yang luar biasa cepat ini adalah suatu proses dinamis yang melibatkan pergerakan mekanik dari elektron dan inti atom. Kecepatan pergerakan atom mendekati 1 km/sekon, oleh karena itu, untuk merekam dinamika skala atomik diatas ukuran angstrom, rata-rata waktunya dianggap mendekati 100 femtosekon (fs). Pergerakan atom pada saat berlangsungnya reaksi dalam keadaan transisinya merupakan hal pokok yang dipelajari dalam femtokimia. Dengan resolusi waktu femtosekon, dapat diamati keadaan transisi pada saat kesetimbangan.

Keadaan transisi adalah keadaan antara (intermediate) yang harus dilalui molekul atau atom saat bereaksi. Keadaan ini sulit diamati karena begitu singkatnya waktu keadaan transisi yaitu dalam rentang femtodetik (sepuluh pangkat minus 15 detik). Sebagai gambaran, satu femtodetik setara dengan satu detik dibagi 32 juta tahun.

Femtokimia sering memanfaatkan sinar laser ultrapendek. Dalam perkembangannya, teknik gelombang laser ultra pendek banyak digunakan untuk mempelajari reaksi kimia. Dalam menyelidiki suatu proses molekuler, spektroskopi, spektometri massa, dan difraksi memainkan peranan dari fotografi berkecepatan tinggi.

Terdapat beberapa hal yang perlu diperhatikan dalam mempelajari pergerakan molekul. Yang pertama adalah pengukuran waktu pergerakan dengan menentukan waktu awalnya, yaitu waktu nolnya. Kedua, pergerakannya harus disinkronkan. Hal tersebut disebabkan karena banyaknya molekul yang di gunakan dalam merekam pergerakan secara molekuler. Ketiga, kesesuaian molekuler harus disebabkan adanya lokalisasi inti atom. Untuk mempelajari femtosekon, diperlukan kontrol femtosekon pada pengukuran waktu yang relatif, pompa laser dan probe pulsa diproduksi secara selaras,kemudian pulsa probe dialihkan melalui jalur optis yang dapat diatur panjang. Keterbatasan kecepatan cahaya mengartikan perbedaan panjang menjadi perbedaan waktu dari dua pulsa pada sampel; dalam hal ini 1 mikron setara dengan 3,3 fs.

Dalam femtokimis, mempelajari perubahan kimia, fisika,dan biologi merupakan suatu hal yang mendasar untuk skala waktu vibrasi molekuler: pergerakan inti atom yang sebenarnya. Selain itu, skala waktu fs merupakan sesuatu yang unik untuk menciptakan paket gelombang molekuler koheren pada skala atom panjang. Hal ini merupakan masalah dasar yang berakar dalam pengembangan mekanika kuantum dan dualitas materi. Fungsi gelombang molekuler secara spasial terlihat kabur dan tidak menunjukkan adanya pergerakan. Jumlah fungsi gelombang terpisah sesuai tahapan dipilih dapat menghasilkan terlokalisasi spasial dan bergerak paket gelombang koheren. Paket telah ditetapkan dengan baik kecepatan dan posisi yang sekarang membuat analog dengan pergerakan klasik, tetapi pada resolusi atom, dan tanpa pelanggaran prinsip ketidakpastian. Selama paket gelombang (khas lebar 0,05 Å) cukup terlokalisir (0,5 Å atau lebih), sebuah deskripsi dalam bentuk konsep-konsep klasik posisi dan momentum partikel trsebut sepenuhnya adalah tepat. Dengan cara ini, lokalisasi waktu dan ruang secara bersamaan dapat dicapai untuk sistem nonreactive dan reaktif.

Pengamatan pergerakan dalam sistem nyata tidak hanya menuntut pembentukan gelombang di masing-masing molekul, tetapi juga menyebar di antara paket gelombang yang terbentuk pada jutaan molekul yang dilakukan pengukuran. Kunci untuk mencapai kondisi ini umumnya disediakan oleh awal yang terdefinisi dengan baik, keseimbangan konfigurasi molekul yang diteliti sebelum eksitasi dan oleh peluncuran "sesaat" femtosecond pada paket. Jarak awal ground state dari sistem memastikan bahwa semua molekul, setiap dengan koherensi sendiri di antara bagian yang membentuk paket dengan gelombang, mulai gerakan mereka dalam sebuah kisaran jarak ikatan yang jauh lebih kecil daripada yang dijalankan oleh gerakan.

Konsep yang sesuai ini terletak pada inti femtokimia dan merupakan kunci kemajuan dalam mengamati dinamikanya. Realisasi pentingnya dan pendeteksian oleh selektivitas dalam kedua penyiapan dan penyelidikan sangat penting dalam semua studi. Dengan konsep-konsep ini dalam pikiran, penggabungan laser ultrafast dengan molecular terbukti menjadi penting bagi pengembangan awal. Fluoresensi yang terinduksi laser adalah probe pertama yang digunakan, tetapi kemudian disebut spektrometri massa dan teknik-teknik optik nonlinier. Sekarang, banyak  metode penyelidikan yang dikenal dan digunakan di laboratorium di seluruh dunia; sebagai contohnya Coulomb ledakan adalah probe kuat paling baru yang dikembangkan oleh Will Castleman untuk menangkap intermediet reaktif.

Aplikasi femtochemistry telah banyak terdapat pada berbagai jenis ikatan kimia-kovalen,  ionik, datif dan metalik, dan ikatan van der Waals dan hidrogen. Penelitian terus dilakukan untuk mengatasi berbagai kompleksitas dalam sistem molekul, dari diatomik ke protein dan DNA. Studi juga telah dibuat dalam fase berbeda materi: gas dan molekul balok; struktur nano, partikel, dan tetesan; cairan fase padat kental, permukaan dan antarmuka; dan di bidang lainnya seperti femtobiology. Adanya kemampuan untuk mengeksplorasi skala waktu lebih pendek  telah dikembangkan dari milidetik ke femtosekon secara luas, setiap langkah di sepanjang jalan telah memberikan penemuan, pemahaman baru, dan misteri baru yang cukup mengejutkan. Will Castleman dan villy Sundström memberi kontribusi yang besar dalam perspektif sejarah. Perkembangan akan terus berlanjut, dan arah baru penelitian akan dikejar. Tentunya, studi tentang senyawa transisi dan strukturnya dalam kimia dan biologi akan tetap berlanjut untuk eksplorasi ke arah yang baru, dari sistem yang sederhana sampai  kompleks enzim dan protein, dan dari penyelidikan untuk mempelajari materi-femtokimia, femtobiologi, and femtofisika.

Saat ini femtosekon laser (4,5 fs) memberikan batas waktu penyelesaian untuk fenomena nuklir yang melibatkan gerakan. Resolusi attosekon memungkinkan suatu hari untuk langsung melakukan observasi dari gerakan elektron yang sesuai. Kemudian dibuatlah suatu point pada tahun 1991 dalam ringkasan Diskusi Faraday dan sejak itu, tidak banyak yang telah dilaporkan kecuali beberapa kemajuan dalam hal  pulsa sub-fs. Di waktu yang akan datang, memungkinkan hal ini dapat berubah dan dapat dilihat penataan ulang elektron, misalnya, dalam benzena.

Selain itu, akan ada penelitian yang melibatkan kombinasi dari "tiga skala”, yaitu waktu, panjang, dan jumlah. Kita harus melihat ekstensi untuk studi tentang dinamika femtosekon molekul tunggal dan molekul di permukaan. Gabungan waktu / panjang resolusi akan memberikan kesempatan khas untuk membuat transisi yang penting dari struktur molekul untuk dinamika dan fungsinya.