Penelitian dengan judul "A Theoretical Investigation on Nitrogen Dioxide Adsorption on Self-Assembled Monolayer-Functionalized ZnO Monolayer" yang ditulis oleh Muhammad Fadlan Raihan, Robeth Viktoria Manurung, Ahmad Nuruddin, dan Triati Dewi Kencana Wungu mengkaji mekanisme adsorpsi nitrogen dioksida (NO₂) pada lapisan monolayer seng oksida (ZnO) yang difungsionalisasi dengan self-assembled monolayer (SAM). Penelitian ini penting dalam konteks aplikasi sensorik, di mana ZnO digunakan sebagai bahan sensor untuk mendeteksi gas-gas berbahaya di lingkungan, termasuk NO₂ yang dikenal sebagai salah satu polutan udara utama yang memiliki dampak negatif terhadap kesehatan dan lingkungan.

Latar belakang penelitian ini berangkat dari kebutuhan akan sensor gas yang lebih sensitif dan selektif, terutama dalam mendeteksi gas NO₂ pada konsentrasi yang sangat rendah. NO₂ merupakan komponen penting dalam pencemaran udara, dan deteksi dini gas ini sangat diperlukan untuk mencegah dampak buruknya terhadap sistem pernapasan manusia dan ekosistem secara umum. ZnO telah lama dikenal sebagai bahan semikonduktor yang memiliki sifat elektronik dan sensorik yang menjanjikan. Akan tetapi, sensitivitas dan selektivitas ZnO terhadap NO₂ sering kali masih belum optimal. Oleh karena itu, penelitian ini memfokuskan pada penggunaan SAM yang berfungsi untuk memodifikasi permukaan ZnO monolayer, dengan harapan dapat meningkatkan interaksi antara ZnO dan molekul NO₂ sehingga menghasilkan sensor yang lebih sensitif dan selektif.

Dalam studi ini, pendekatan teoritis melalui simulasi komputer digunakan untuk mengeksplorasi mekanisme dasar adsorpsi NO₂ pada permukaan ZnO yang telah dimodifikasi dengan SAM. Penelitian dilakukan dengan metode komputasi densitas fungsional (DFT), yang telah terbukti efektif dalam memprediksi sifat-sifat elektronik dan interaksi molekuler pada tingkat atomik. Dengan memanfaatkan DFT, para peneliti mampu mensimulasikan struktur elektronik dan energi interaksi yang terjadi antara molekul NO₂ dan permukaan ZnO yang telah difungsionalisasi, sehingga diperoleh gambaran yang lebih rinci mengenai dinamika proses adsorpsi.

Hasil dari simulasi ini menunjukkan bahwa SAM yang digunakan untuk memodifikasi ZnO secara signifikan mempengaruhi karakteristik adsorpsi NO₂. Lapisan SAM, yang terdiri dari molekul organik dengan ujung fungsional tertentu, berperan dalam memperkuat interaksi antara ZnO dan NO₂. Salah satu temuan penting dari penelitian ini adalah perubahan energi adsorpsi yang lebih tinggi ketika SAM diaplikasikan dibandingkan dengan ZnO murni. Hal ini menunjukkan bahwa modifikasi permukaan ZnO dengan SAM dapat meningkatkan sensitivitas sensor terhadap NO₂, yang merupakan tujuan utama dari penelitian ini.

Dalam simulasi yang dilakukan, beberapa varian SAM dengan ujung fungsional yang berbeda diuji untuk menentukan konfigurasi yang paling optimal. Peneliti menemukan bahwa tipe ujung fungsional dari SAM memiliki pengaruh yang signifikan terhadap energi adsorpsi dan stabilitas interaksi. Sebagai contoh, SAM dengan gugus fungsional amina menunjukkan interaksi yang lebih kuat dengan molekul NO₂ dibandingkan dengan SAM tanpa gugus fungsional tersebut. Hal ini disebabkan oleh kemampuan amina untuk berinteraksi secara langsung dengan gugus nitro pada molekul NO₂, menciptakan ikatan yang lebih stabil di permukaan ZnO.

Selain itu, penelitian ini juga memeriksa perubahan sifat elektronik ZnO setelah adsorpsi NO₂, yang berhubungan langsung dengan potensi aplikasinya sebagai sensor gas. Studi ini mengamati pergeseran tingkat energi Fermi pada ZnO setelah adsorpsi NO₂, yang merupakan indikator adanya perubahan muatan pada permukaan material. Pergeseran ini penting karena dapat mempengaruhi sifat konduktivitas material, yang pada gilirannya dapat digunakan sebagai sinyal untuk mendeteksi kehadiran gas NO₂. Pergeseran tingkat energi yang lebih besar tercatat pada permukaan ZnO yang dimodifikasi oleh SAM, yang menegaskan bahwa modifikasi permukaan ini meningkatkan sensitivitas deteksi.

Selain perubahan sifat elektronik, penelitian ini juga membahas stabilitas termodinamika dari konfigurasi SAM-ZnO setelah adsorpsi NO₂. Berdasarkan simulasi, ditemukan bahwa sistem SAM-ZnO stabil secara termodinamika setelah molekul NO₂ teradsorpsi. Ini merupakan indikator penting bahwa modifikasi permukaan dengan SAM tidak hanya meningkatkan sensitivitas tetapi juga menjaga stabilitas material, yang merupakan syarat penting dalam aplikasi sensorik jangka panjang.

Penelitian ini juga mengeksplorasi bagaimana ketebalan lapisan SAM mempengaruhi kemampuan adsorpsi. Hasil simulasi menunjukkan bahwa lapisan SAM yang terlalu tebal dapat mengurangi aksesibilitas NO₂ ke permukaan ZnO, sehingga mengurangi efisiensi adsorpsi. Sebaliknya, lapisan yang terlalu tipis mungkin tidak cukup untuk memperkuat interaksi antara NO₂ dan ZnO. Oleh karena itu, ditemukan bahwa ada ketebalan optimal untuk SAM yang memberikan keseimbangan antara meningkatkan interaksi dan menjaga aksesibilitas gas ke permukaan ZnO.

Temuan lain yang menarik dari penelitian ini adalah bagaimana suhu operasional sensor memengaruhi proses adsorpsi. Dalam simulasi, peningkatan suhu menyebabkan perubahan energi adsorpsi, dengan kecenderungan adsorpsi yang lebih lemah pada suhu yang lebih tinggi. Hal ini berarti bahwa sensor yang berbasis pada ZnO yang dimodifikasi oleh SAM mungkin bekerja paling optimal pada suhu yang lebih rendah, di mana interaksi antara NO₂ dan SAM-ZnO lebih kuat. Oleh karena itu, pengaturan suhu operasional sensor menjadi aspek penting yang perlu diperhatikan dalam aplikasi praktis.

Secara keseluruhan, penelitian ini memberikan wawasan yang berharga mengenai cara meningkatkan kinerja sensor gas berbasis ZnO melalui modifikasi permukaan dengan SAM. Dengan menggunakan pendekatan teoritis dan simulasi komputasi, penelitian ini berhasil menunjukkan bahwa lapisan SAM dapat secara signifikan memperbaiki interaksi antara ZnO dan NO₂, sehingga meningkatkan sensitivitas dan selektivitas sensor. Hasil-hasil ini dapat membuka jalan bagi pengembangan sensor gas yang lebih efisien dan akurat di masa depan, khususnya dalam mendeteksi polutan udara berbahaya seperti NO₂.

Penelitian ini juga menekankan pentingnya memilih jenis SAM yang tepat serta mengatur ketebalan dan suhu operasionalnya untuk memaksimalkan performa sensor. Dengan demikian, penelitian ini tidak hanya memberikan kontribusi teoritis dalam pemahaman interaksi molekuler pada permukaan ZnO, tetapi juga menawarkan panduan praktis dalam desain sensor gas yang lebih canggih dan efisien. Di masa depan, penelitian lebih lanjut dapat difokuskan pada eksperimen laboratorium untuk menguji validitas temuan ini secara empiris, serta mengembangkan variasi SAM lain yang mungkin lebih efektif dalam meningkatkan kinerja sensor.

Dengan temuan-temuan yang dihasilkan, penelitian ini memberikan landasan yang kuat bagi pengembangan teknologi sensor gas berbasis nanomaterial, khususnya untuk aplikasi di lingkungan yang membutuhkan deteksi gas beracun seperti NO₂. Hal ini relevan dalam upaya menjaga kesehatan manusia dan lingkungan, serta sejalan dengan perkembangan teknologi sensorik yang semakin maju di era modern ini. Penelitian ini tidak hanya bermanfaat secara ilmiah, tetapi juga memberikan implikasi praktis yang luas, terutama dalam bidang sensorik dan material fungsional.

Sumber: A Theoretical Investigation on Nitrogen Dioxide Adsorption on Self-Assembled Monolayer-Functionalized ZnO Monolayer

Editor:     Rezekinta Syahputra Sembiring