Kuasikristal dan Pola Mozaik

NobelPrize2011-Chemistry-3

Publikasi Shechtman di Phys. Rev. Lett. 53, 1984, p1951-4 membuat dia semakin dikritik. Namun, pada saat yang bersamaan para pakar kristrografi seluruh dunia seperti mengalami déjà vu. Banyak di antara mereka yang telah menyaksikan hal serupa, tapi mereka interpretasikan sebagai bukti dari kristal kembar. Sebagian mereka mulai membuka dan mengkaji lagi data dari buku log/jurnal mereka yang mungkin sudah usang. Tidak butuh waktu lama bagi para pakar untuk untuk melihat apa yang dilihat Shechtman: pola keteraturan yang tidak berperiodik.

Catatan penting buat mahasiswa bimbingan saya: itulah salah satu alasan kenapa saya wajibkan kalian menulis diari setiap hari, sebagai penggangi jurnal seperti di dunia eksperiman.

 

Kenapa kontroversial?

Saat Shectman mempublikaskan penemuannya, dia masih belum punya penjelasan pasti apa yang dia lihat. Menurut pakemnya, susunan atom-atom dalam kristal memiliki simetri yang unik. Perhatikan gambar di bawah ini. Pada gambar a., setiap atom dikelilingi oleh tiga atom yang identik dalam sebuah pola yang berulang, disebut simetri threefold (fold = lipatan).  Simetri threefold kembali ke posisi awal jika diputar sebanyak 120 derajat (sepertiga dari 360 derajat). Prinsip yang sama berlaku untuk gambar b. dan  c., untuk simetri fourfold (diputar 90 derajat, atau seperempat dari 360 derajat) dan sxifold (diputar 60 derajat, atau seperenam dari 360 derajat).

NobelPrize2011-Chemistry-symmetry

Namun, simetri fivefold (gambar d.) tidak memiliki perulangan karena akan memaksa sejumlah atom berjarak lebih pendek daripada yang lain. Hal yang sama terjadi pada simetri sevenfold, eightfold, ninefold, dan yang lebih tinggi lagi. Inilah penjelasan yang diyakini para ilmuwan bahwa tidak mungkin kristal memiliki simetri fivefold, sevenfold, dan seterusnya.

Sementara yang dilihat Shechtman adalah jenis simetri tenfold, karena polanya muncul lagi setelah diputar 36 derajat (sepersepuluh dari 360 derajat), sebuah simetri yang mustahil menurut pakem yang ada saat itu. Karena itulah, dalam buku jurnalnya dia menulis tiga tanda tanya pada baris 1725 (lihat gambar pembuka artikel ini.).

Jadi, dari awal Shectman sudah menyadari bahwa apa yang dia lihat ini sesuatu yang tidak lazim. Belakangan, dalam wawancara dengan website resmi Hadiah Nobel, Shechtman mengungkapkan:

… Sebab penemuan-penemuan tidaklah sesuatu yang diharapkan – karena jika mereka seperti yang diharapkan, maka tentu sudah ditemukan orang sejak dulu. Jadi sesuatu yang baru adalah sesuatu yang dilarang oleh hukum-hukum yang ada.

 

Pola apa sebenarnya itu?

Meskipun tidak berperidoik, pola yang teramati oleh Shechtman tetap teratur – dan segala yang teratur dapat dimatematiskan. Dalam matematika terdapat deret angka yang teratur tapi tidak periodik, misalnya deret Fibonacci yang terkenal itu. Atau, contoh lain adalah mozaik.

Mozsaik sudah lama menjadi permainan teka-teki dikalangan matematikawan. Mozaik juga sangat akrab di kalangan seni dan arsitektur, menjadi cirikhas dari bangunan gaya Islam abad pertengahan (medieval). Sebutlah contohnya mozaik di Istana Alhambraa (Sanyol).

Mozaik mulai di-matematis-kan di tahun 1960-an. Pertanyaan fundamental yang harus diselesaikan adalah: apakah sebuah mozaik dapat disusun dari sejumlah ubin yang terbatas sehingga pola yang dihasilkan teratur tapi tidak berulang.

Satu dekade kemudian, Roger Penroseb berhasil menjawab pertanyaan ini. (Klik ini untuk melihat gambar peringkas cerita.) Solusi Penrose ini dipakai orang dari berbagai aspek. Misalnya ada yang menggunakan untuk mempelajari bahwa mozaik di istana Alhambra sehingga diketahui bahwa mozaik di istana yang sangat indah itu hanya dibuat dari lima jenis ubin berbeda.

Alan Mackay, seorang ahli kristalografi, menggunakan solusi Penrose ini untuk menyelidiki apakah atom-atom dapat disusun seperti pola mozaik. Dia modelkan sejumlah lingkaran konsentris yang mewakili atom-atom dan meletakkannya di sejumlah titik potong mozaik Penrose (gambar di samping). Pola yang didapatkan di titik potong ini dijadikan sebagai pola pada kisi difraksi. Setelah kisi difraksi ini dilewati cahaya, Mackay mendapatkan pola interferensi sebuah simetri tenfold!

Paul Steinhardt dan Dov Levine, dua orang fisikawan masing-masing dari Princeton University (Amerika Serikat) dan Technion (Israel), menggunakan pekerjaan Mackay untuk menjelaskan pengamatan Shechtman. Steindhard adalah salah satu mitra bestari (juri, reviewer) yang memeriksa tulisan Shechtman di jurnal Physical Review Letters. Saat itu Steinhardt memahami pekerjaan Mackay – sudah dipastikan Shechtman tidak tahu – sehingga merekomendasikan penemuan Shechtman untuk dipublikasikan di jurnal tersebut.

Pada malam Natal 1984, hanya berselang lima pekan setelah tulisan Shechtman diterbitkan, Steinhardt dan Levine mempublikasikan sebuah artikel yang menjelaskan tentang pola yang diamati oleh Shechtman. Mereka menyebut zat padat dengan pola mozaik itu dengan kuasikristal – sejak itu nama kuasikristal dipakai orang.

Layak mendapat hadiah Nobel

Semenjak itu ratusan kuasikristal telah berhasil disintesis di seluruh laboratorium di dunia. Sampai pada musim panas 2009 akhirnya para ilmuwan menemukan bahwa terdapat kuasikristal alamiah (bukan hasil sintesis) yang ditemukan di sungai Khatyrka (wilayah Rusia timur). Nama mineral yang terbuat dari kuasikristal itu disebut icosahedrite, dari kata icosahedron (lihat gambar di samping, klik untuk melihat gambar ini berotasi.)

Kuasikristal juga ditemukan dalam sejumlah campuran baja. Analisis struktur atom pada baja yang mengandung kuasikristal menunjukkan bahwa kuasikristal berada pada lapisan keras baja yang menempel pada bagian yang lebih lunak dari baja. Jadi, kuasikristal berfungsi sebagai pelindung. Baja jenis ini dipakai dibanyak produ seperti pisau cukur dan jarum halus yang digunakan pada operasi mata.

Meskipun keras, kuasikristal dapat pecah dengan mudah, seperti gelas. Kuasikristal juga konduktor yang buruk untuk panas dan listrik. Permukaannya juga tidak lengket. Karena buruk untuk penghantar panas dan listrik, kuasikristal dapat dipakai dalam bahan termoelektrik yang mengubah panas menjadi listrik. Material ini dapat dipakai untuk mendaurulang sisa-sisa panas buangan, misalnya dari kendaraan bermotor, menjadi listrik. Para ilmuwan sekarang sedang mengembangkan kuasikristal pada permukaan tipis (semacam coating atau pelapis) untuk panci penggoreng untuk kemudian diubah menjadi LED hemat energi.

Jadi, selain mengubah konsep fundamental, penemuan kuasikristal juga berdampak pada kemaslahatan umat manusia. Dua faktor penting yang disebut Alfred Nobel dalam wasiatnya.

(Sumber utama: siaran pers hadiah Nobel, artikel untuk publik, dan latar belakang ilmiah)

 

Catatan kaki

a Saya pernah kunjungi, tapi entah di mana koleksi foto-fotonya. Untuk melihat mozaik di istana Alhambra, bisa di-google dengan kata kunci “Alhambra+mozaic”.

b Seorang fisika teoretis modern Inggris yang termahsyur, kakak kelas Stephen Hawking sewaktu doktoral. Penorse juga dikenal sebagai satu dari sangat sedikit orang yang bekerja dengan Relativitas Umum Einstein.

Author: febdian RUSYDI

a physicists, a faculty, a blogger.

3 thoughts on “Kuasikristal dan Pola Mozaik”

  1. wah hebat..
    butuh waktu 17th untuk diakui dan mendapatkan nobel di mana sebelumnya menuai kontroversi.

  2. setelah saya mengetahui peraih nobel 2010 yaitu tentang kuasi kristal, saya bertanya apa si kuasi kristal itu? kok sepertinya kata kristal pernah saya dengar di matkul zat padat, ternyata benar ada bab yang menjelaskan tentang kristal. hmm karena dulu tidak serius kuliah zat padat jadinya rada O’on ketika ada sesuatu yang berhubungan dengan kristal…..saya banyak browsing mencari tau tentang kuasi kristal tapi belum ada saya temui penjelasan yang sebagus ini. apa mungkin sebenarnya memang sudah ada sebelumnya tapi sayanya yang ga ngerti ya……ting….ting….ting….tapi menurut saya tulisan di atas sangat jelas dimengerti bagi pemula(orang yang ga ngertisebelumnya)…..hehehehe. saya baru tahu kalau guru saya menulisnya di blog. terimakasih…..;-)

Leave a Reply