Peneliti dari Ohio State University dan Louisiana State University telah mempelopori teknik untuk mengamati interaksi molekuler ultrafast di cairan menggunakan spektroskopi harmonik tinggi. Dalam eksperimen mengejutkan dengan fluorobenzena dan metanol, mereka menemukan ikatan hidrogen halus yang menekan emisi cahaya. Terobosan ini, yang diterbitkan di PNAS, membuka jendela baru ke dinamika cairan yang esensial untuk kimia dan biologi.
Cairan memainkan peran krusial dalam proses biologis dan kimia, namun perilaku molekulernya sulit diamati karena gerakan konstan dan interaksi ultrafast. Metode tradisional seperti spektroskopi optik terlalu lambat untuk menangkap peristiwa ini, yang terjadi pada skala waktu attodetik—sepersejuta dari sepersejuta detik.
Tim dari Ohio State University (OSU) dan Louisiana State University (LSU) telah mengubah itu dengan menyesuaikan spektroskopi harmonik tinggi (HHS), teknik optik nonlinier yang sebelumnya terbatas pada gas dan padat. HHS menggunakan pulsa laser intens dan pendek untuk mengionisasi molekul, melepaskan elektron yang bere kombinasi kembali dan memancarkan cahaya yang mengungkap pergerakan elektron dan nuklir. Untuk mengatasi tantangan cairan—seperti penyerapan cahaya dan kompleksitas sinyal—para peneliti menciptakan lembaran cairan ultratipis yang memungkinkan lebih banyak cahaya harmonik lolos untuk deteksi.
Menguji campuran sederhana, mereka menggabungkan metanol dengan halobenzoena, molekul yang berbeda hanya pada satu atom halogen: fluor, klorin, bromin, atau iodin. Sebagian besar campuran menghasilkan sinyal harmonik yang diharapkan, mencampur emisi komponen. Namun, larutan fluorobenzena-metanol berperilaku berbeda, menghasilkan cahaya lebih sedikit secara keseluruhan dan menekan sepenuhnya satu harmonik.
"Kami benar-benar terkejut melihat bahwa larutan PhF-metanol memberikan hasil yang benar-benar berbeda dari larutan lainnya," kata Lou DiMauro, Profesor Fisika Edward E. dan Sylvia Hagenlocker di OSU. "Bukan hanya hasil campuran jauh lebih rendah daripada masing-masing cairan sendiri, kami juga menemukan bahwa satu harmonik sepenuhnya ditekan."
Simulasi menjelaskan ini sebagai 'jabat tangan molekuler'—ikatan hidrogen antara fluor fluorobenzena dan kelompok oksigen-hidrogen metanol, didorong oleh elektronegativitas fluor. Struktur terorganisir ini menciptakan penghalang penyebaran elektron, mengganggu pembangkitan harmonik. "Kami menemukan bahwa campuran PhF-metanol secara halus berbeda dari yang lain," catat John Herbert, profesor kimia di OSU. Tim LSU mengonfirmasi ini melalui model persamaan Schrödinger tergantung waktu, menunjukkan posisi penghalang memengaruhi pola penekanan, memberikan wawasan ke struktur solvatai lokal.
"Kami bersemangat untuk dapat menggabungkan hasil dari eksperimen dan teori, melintasi fisika, kimia, dan optik, untuk mempelajari sesuatu yang baru tentang dinamika elektron di lingkungan cairan yang kompleks," kata Mette Gaarde, Profesor Fisika Boyd di LSU.
Kemajuan ini dapat menerangi proses di sel, kerusakan radiasi, dan material, dengan HHS sekarang sensitif terhadap interaksi solut-pelarut. Didanai oleh DOE dan NSF, studi ini muncul di Proceedings of the National Academy of Sciences (2025).
