Studi: Teori relativitas Einstein mengubah ikatan kimia pada unsur berat

• Peneliti Brown University memperoleh bukti spektroskopi langsung bahwa efek relativistik pada inti atom berat mengubah struktur ikatan rangkap tiga, sehingga pembedaan ikatan sigma dan pi dalam buku teks tidak lagi berlaku secara ketat
• Pada unsur berat, elektron bergerak makin cepat hingga mencapai fraksi yang signifikan dari kecepatan cahaya, dan kopling spin-orbit, yaitu keterkaitan antara spin dan orbit elektron, mengubah aturan interaksi elektron sehingga mengaburkan batas antara ikatan sigma dan ikatan pi
• Setelah mendinginkan molekul yang dibuat dari karbon dan bismut hingga mendekati nol mutlak lalu mengukurnya dengan spektroskopi fotoelektron, hasilnya menunjukkan bahwa ikatannya bukan satu sigma dan dua pi seperti model tradisional, melainkan lebih dekat ke satu ikatan pi dan dua ikatan hibrida sigma-pi
• Hasil ini memverifikasi secara langsung efek relativistik pada unsur berat yang telah diketahui sejak 1970-an, serta menunjukkan perlunya merevisi model buku teks yang membagi ikatan rangkap tiga secara ketat menjadi dua jenis ikatan
• Bismut merupakan kandidat pengganti timbal beracun pada sel surya generasi berikutnya dan juga menjadi objek riset material kuantum serta komputasi kuantum, sehingga konfirmasi struktur ikatan relativistik dapat berdampak langsung pada riset kimia unsur berat

---

Ikatan rangkap tiga yang berubah pada unsur berat

• Atom berikatan dengan berbagi elektron bermuatan negatif, dan pasangan elektron yang terbentuk ketika masing-masing atom menyumbangkan satu elektron menarik dua inti atom bermuatan positif
  • Ketika dua atau lebih pasangan elektron dibagi, terbentuk ikatan rangkap dua atau ikatan rangkap tiga
• Model ikatan rangkap tiga tradisional terdiri dari satu ikatan sigma yang kuat di bagian depan dan dua ikatan pi yang relatif lebih lemah di sisi samping
  • Ikatan sigma terbentuk sepanjang sumbu horizontal imajiner di antara dua inti atom
  • Dua ikatan pi terbentuk dengan cara mengelilingi ikatan sigma
• Model ini berlaku untuk unsur ringan, tetapi pada unsur berat di bagian bawah tabel periodik, massa inti atom yang lebih besar membuat elektron bergerak makin cepat hingga mencapai fraksi yang signifikan dari kecepatan cahaya, sehingga teori relativitas Einstein menjadi penting
• Dalam ranah relativistik, spin—momen magnetik elektron yang mengarah ke atas atau ke bawah—dan orbit elektron tidak lagi saling independen; hal ini disebut kopling spin-orbit
  • Kopling spin-orbit mengubah aturan interaksi antar-elektron dan meruntuhkan pemisahan ketat antara ikatan sigma dan ikatan pi
  • Jumlah total ikatan tetap tiga, tetapi masing-masing sulit diklasifikasikan secara jelas sebagai sigma atau pi

Metode dan hasil pengukuran langsung ikatan karbon-bismut

• Peneliti Brown University, dalam studi yang diterbitkan di Science, membuat molekul dari karbon dan bismut, unsur berat, untuk meneliti hibridisasi ikatan relativistik
  • Bismut adalah unsur berat yang berada tepat di sebelah timbal dalam tabel periodik, sehingga efek relativistik diperkirakan penting
  • Para peneliti mendinginkan molekul hingga mendekati nol mutlak, lalu menganalisisnya dengan spektroskopi fotoelektron
• Spektroskopi fotoelektron menggunakan laser untuk melepaskan elektron dalam molekul satu per satu dari posisi asalnya, lalu menentukan kekuatan ikatan berdasarkan jarak yang ditempuh elektron
• Spektrum fotoelektron yang diukur menunjukkan bahwa ikatan karbon-bismut tidak sesuai dengan struktur ikatan rangkap tiga tradisional yang terdiri dari satu sigma dan dua pi
  • Struktur sebenarnya lebih dekat dengan satu ikatan pi dan dua ikatan hibrida yang mencampurkan karakter sigma dan pi
• Gagasan bahwa relativitas penting pada unsur berat sudah ada sejak 1970-an, tetapi studi ini memberikan bukti spektroskopi langsung bahwa model ikatan yang dipelajari dalam kimia sekolah menengah tidak cocok untuk unsur berat
• Bismut berpotensi menggantikan timbal beracun pada sel surya generasi berikutnya, dan juga menarik perhatian dalam riset material kuantum serta komputasi kuantum
  • Seiring makin banyaknya unsur berat yang ditangani, struktur relativistik dapat menjadi model buku teks baru
• Studi ini didukung oleh National Science Foundation Amerika Serikat melalui CHE-2403841 dan Department of Energy melalui DE-SC0008501

[GN⁺]

Komentar Hacker News

• Karena efek relativistik, raksa berbentuk cair pada suhu ruang. Elektron bagian dalamnya bergerak sekitar 60% dari kecepatan cahaya, sehingga menarik elektron luar lebih kuat dan membuat ikatan serta pembentukan padatan menjadi sulit
  Namun saya bukan fisikawan, jadi jangan jadikan penjelasan ini pegangan mentah-mentah untuk merancang wahana antariksa

  • Kalau begitu, pertanyaan yang lebih menarik adalah mengapa fenomena yang sama tidak muncul pada unsur-unsur yang bertetangga dengan raksa di tabel periodik
  • Sementara itu, quark di dalam semua atom biasa bergerak dengan kecepatan sekitar 0,99995c

• Menarik bahwa di ranah relativistik, spin dan orbit elektron tidak lagi independen, sehingga muncul kopling spin-orbit. Saya baru pertama kali mendengar ikatan sigma atau ikatan pi
  https://www.science.org/doi/10.1126/science.aei1285

  • Ikatan sigma dan ikatan pi biasanya dibahas di AP Chemistry, tetapi bagian mengapa atau bagaimana cara kerjanya banyak disederhanakan. Semakin berat atomnya, semakin rumit bentuk awan elektron valensinya, dan ketika dua atom atau lebih berikatan, kerumitannya jauh meningkat
  • Kalimat yang dikutip itu, secara ketat, keliru. Yang menyebabkan efeknya bukan massa inti atom yang meningkat, melainkan muatan inti yang lebih besar dan perubahan potensial Coulomb yang mengikutinya
  • Jika bintang neutron diberi muatan positif, bisakah elektron mengorbit di sekelilingnya?

• Bukankah sudah diketahui bahwa relativitas memengaruhi orbit elektron pada unsur berat? Saya mempelajarinya di kelas fisika pada pertengahan 2000-an, dan juga sudah diketahui bahwa warna emas berasal dari efek relativistik
  https://physics.aps.org/articles/v10/s3

  • Penelitian ini tampaknya untuk pertama kalinya mengonfirmasi hal itu lewat pengamatan eksperimental langsung terhadap orbital. Gagasan bahwa relativitas penting pada unsur berat sudah ada sejak 1970-an, tetapi studi ini memberikan bukti spektroskopi langsung bahwa model ikatan kimia yang kita pelajari di SMA tidak cocok untuk unsur berat
  • Secara umum, kopling spin-orbit dan efek relativistik pada unsur berat bukan hal baru, dan telah diteliti sebagai faktor penting pada uranium dan plutonium. Perhitungan sederhana pun menunjukkan bahwa sebagian elektron mencapai kecepatan relativistik
    Temuan kali ini lebih dekat pada kasus baru yang muncul dalam ikatan tertentu pada ion tertentu. Lebih baik membaca makalahnya langsung daripada siaran pers universitas yang berlebihan; bahkan ringkasan editor sejak awal menyatakan bahwa “sudah lama jelas bahwa model ini mulai goyah ketika atom cukup berat sehingga relativitas ikut berperan”
  • 25 tahun lalu pun saya sudah belajar bahwa relativitas memainkan peran besar dalam persamaan kimia kuantum atom emas. Konsepnya sendiri sudah lama ada dan judulnya menyesatkan
  • Fokus makalah ini tampaknya lebih spesifik pada efek relativistik dalam ikatan rangkap tiga daripada efek relativistik secara umum
  • Artikel Wikipedia terkait juga sudah ada
    https://en.wikipedia.org/wiki/Relativistic_quantum_chemistry

• Kejeniusan Einstein melampaui sains
  <https://assets.press.princeton.edu/chapters/s6681.pdf>
  Ia bangga dengan identitasnya sebagai orang Yahudi, tetapi juga mempertanyakan apakah ia akan menjadi Yahudi seandainya tidak dilahirkan dalam kehidupan seperti itu. Saya tidak terlalu sepakat dengan fatalismenya yang menyeluruh, tetapi nama keluarganya jauh lebih dikenal daripada nama keluarga saya, dan hampir semua orang lain
  Saya meraih gelar kimia medisinal pada pertengahan 2000-an, dan sulit membayangkan betapa luar biasanya pendidikan sains dengan materi visual masa kini. Sekarang kita bisa melihat model yang sangat interaktif dari semua unsur, cukup dengan sekali klik di peramban web tanpa perangkat lunak tambahan. Dulu saya hanya melihat cetakan dua dimensi di perpustakaan dan harus memutar struktur kimia organik dengan imajinasi ruang di kepala, tetapi tetap mendapat nilai A

• Saya mempertanyakan frasa “bismut dapat menggantikan timbal beracun pada sel surya generasi berikutnya”. Apakah timbal benar-benar digunakan dalam panel surya umum yang kini diproduksi massal? Wikipedia mengatakan timbal telurida dan timbal selenida digunakan pada sel fotovoltaik dan detektor inframerah, tetapi artikel masing-masing tidak menyebut panel surya
  Hasil pencarian hanya menunjukkan penggunaan pada panel surya fleksibel dengan pangsa pasar sangat kecil, dan sejauh yang saya tahu banyak di antaranya memakai senyawa kadmium alih-alih timbal. Tentu saja kadmium juga sama beracunnya
  Ada juga sumber yang mengatakan timbal digunakan dalam solder untuk perakitan panel, tetapi di UE, RoHS sudah lama melarang timbal dalam solder kecuali untuk sebagian penggunaan ceruk. Jika panel surya termasuk pengecualian, saya penasaran apakah itu masih berlaku pada 2026. Memang benar bismut dipakai dalam sebagian solder karena alasan yang mirip dengan timbal
  Ada sumber yang menyatakan bahwa timbal dalam panel daur ulang sekitar 0,1% dari bobot, dan ada juga yang menyebut kandungan totalnya lebih rendah daripada standar keamanan bahan taman bermain anak. Secara keseluruhan, ungkapan timbal beracun terbaca seperti informasi usang atau frasa yang menebar ketakutan, ketidakpastian, dan keraguan

• Ini adalah hasil yang kembali mengonfirmasi secara eksperimen persamaan Dirac, yang mengintegrasikan relativitas khusus ke dalam fisika kuantum
  PDF makalah: https://bpb-us-w2.wpmucdn.com/sites.brown.edu/dist/0/196/fil...

• Bagaimana dengan superfluida dan kondensat Bose-Einstein? Saya penasaran apakah hukum yang berbeda berlaku untuk superfluida seperti ³He, atau apakah hukum superfluida juga berlaku pada unsur berat. Di sini pun tampaknya diperlukan model gravitasi kuantum superfluida

• Relativitas juga terlibat dalam berbagai sifat khas unsur berat, seperti warna emas atau alasan timbal cocok sebagai bahan baterai

• Apakah aspek kuantumnya juga dapat diprediksi secara setara dengan mekanika Bohm? Atau ini kasus menarik ketika prediksi kedua teori berbeda sehingga ada kemungkinan falsifikasi?

  • Mekanika Bohm bersifat nonrelativistik, jadi sejak awal tidak cocok untuk fenomena relativistik. Secara umum ia memberi prediksi yang sama dengan mekanika kuantum nonrelativistik, yaitu persamaan Schrödinger, tetapi karena nonlokalitas gelombang pemandu, sulit menemukan versi relativistik yang setara dengan persamaan Dirac

• Luar biasa visioner: setelah bekerja sebagai pegawai kantor paten, ia mengamankan hak atas teknologi dasar seperti ini. Saat itu orang mungkin berpikir, “apa nilai komersialnya kalau waktu Merkurius melintas di depan Matahari ternyata salah,” tetapi sekarang semua perusahaan kimia di alam semesta tampaknya akan menerima tagihan royalti setiap kali membuat zat yang lebih kompleks daripada gas hidrogen
  Sebaliknya, relativitas Galileo patennya sudah lama kedaluwarsa, jadi di dalam pesawat atau moda transportasi lain kita bisa bergerak bebas seolah berada dalam kerangka acuan diam tanpa membayar royalti

  • Kita sudah mendanai riset murni lewat pajak, jadi tidak adil jika harus mengenakan royalti lagi pada hasil non-rival yang tidak dapat dimonetisasi