aplikasi nanomaterial

 Nanomaterial adalah bidang ilmu material dengan
pendekatan berbasis Nanoteknologi
 Nanoteknologi adalah pembuatan dan penggunaan
materi atau devais pada ukuran sangat kecil. Materi
atau devais ini berukuran antara (1 – 100) nanometer.
Satu nm sama dengan satu-per-milyar meter
(0.000000001 m), yang berarti 50.000 lebih kecil dari
ukuran rambut manusia. Ukuran (1 – 100) nm ini disebut
juga dengan skala nano (nanoscale).
 Jadi, dapat disimpulkan bahwa nanomaterial itu
adalah bahan atau material yg berukuran sangat kecil
(skala nano) yaitu 1-100 nm.
• Dengan nanoteknologi, material dapat didesain dan
disusun dalam orde atom-per-atom atau molekulpermolekul sedemikian rupa
• Dengan menyusun ulang atau merekayasa struktur
material di level nanometer, maka akan diperoleh
suatu bahan yang memiliki sifat istimewa jauh
mengungguli material yang lain
• Carbon nanotube (CNT) adalah sebuah bentuk kristal
baru dari gugus karbon, yang tersusun dari beberapa
atom karbon berbentuk pipa dengan diameter
beberapa nanometer
Sejarah penemuan peralatan penelitian
nanoteknologi
1991
1986
1985
Robert Curl,
Harold Kroto,
dan Richard
Smalley
(Pemenang
1981
Hadiah Nobel
Scanning
Kimia tahun
Tunneling
1996)
Microscopy (STM) menemukan
diciptakan oleh buckyball/full
Heinrich Rohrer erene
dan Gerd Binnig
(Pemenang
Hadiah Nobel
Gerg Binnig,
Calfin F
Quate, dan
Christoph
Gerber
menemukan
Atomic Force
Microscope
(AFM).
Sumio Iijima
menemukan
carbon
nanotube
saat ia
bekerja di
perusahaan
NEC di
Jepang.
buckyball
Scanning Tunneling Microscopy (STM)
Atomic Force Microscope (AFM)
carbon nanotube
Munculnya kesadaran terhadap ilmu dan teknologi nano diinspirasi dan
didorong
oleh
pemikiran
futuristik
dan
juga
penemuan
peralatan
pengujian dan bahan-bahan. Pada tanggal 29 Desember 1959 dalam
pertemuan tahunan Masyarakat Fisika Amerika (American Physical Society)
di Caltech, Richard Phillips Feynman (Pemenang Hadiah Nobel Fisika tahun
1965) dalam suatu perbincangan berjudul “ There’s plenty of room at the
bottom”, memunculkan suatu isu yaitu permasalahan memanipulasi dan
mengontrol atom (ukuran 0,001 nm) dan molekul (ukuran 0,1 nm) pada
dimensi kecil (nanometer) . Di tahun 1981, Scanning Tunneling Microscopy
(STM) diciptakan oleh Heinrich Rohrer dan Gerd Binnig (Pemenang Hadiah
Nobel Fisika tahun 1986).
Beberapa tahun kemudian (1986), Gerg Binnig, Calfin F Quate, dan
Christoph Gerber menemukan Atomic Force Microscope (AFM). Melalui
peralatan STM dan AFM, para ilmuwan dapat melihat, memanipulasi, dan
mengontrol atom-atom secara individu di dimensi nano. Penemuan bahan
buckyball/fullerene dan carbon nanotube semakin mendorong para
ilmuwan untuk meneliti ilmu dan teknologi nano. Robert Curl, Harold Kroto,
dan Richard Smalley (Pemenang Hadiah Nobel Kimia tahun 1996)
menemukan buckyball/fullerene di tahun 1985. Buckyball/fullerene tersusun
oleh molekul-molekul karbon dalam bentuk bola tak pejal dengan ukuran
diameter bola 0,7 nm. Sumio Iijima menemukan carbon nanotube pada
tahun 1991 saat ia bekerja di perusahaan NEC di Jepang.
Secara umum Nanomaterial terbagi dalam dua
kategori yaitu:

Fullerenes

Nanopartikel
Fullerenes adalah kelas alotrop karbon yang secara konseptual
adalah lembar grafena (graphene) yang digulung ke dalam
tabung atau bola.
Termasuk didalamnya karbon nanotube yang digunakan baik
karena kekuatan mekanisnya maupun faktor elektrisnya.
Anggota terkecil Fullerene
Nanopartikel secara effektif menjembatani antara bulk material
dan struktur molekulnya. Bulk material harus memilki sifat fisik dan
ukuran yg konstan, namum dalam skala nano ini sering tidak
terjadi. Ukurannya ini dapat diamati seperti pada pengurungan
kuantum
dalam
dibeberapa
partikel
partikel
semikonduktor,
logam,
dan
resonansi
plasmon
superparamagnetism
di
magnetik bahan. Nanopartikel menunjukkan sejumlah sifat khusus
relatif terhadap bulk material.
Secara umum dapat disimpulkan sifat dari nanomaterial yang
berkaitan dengan atom permukaan adalah sebagai berikut:
1.
Nanomaterial memiliki luas permukaan yang besar serta jumlah
atom dipermukaan yang besar.
2.
Memiliki energi permukaan dan tegangan permukaan yang
tinggi.
3.
Permukaan dari partikel kristalin dengan ukuran nano cenderung
membentuk faset (permukaan yang tergosok rata)
4.
Bidang faset cenderung tersusun dari bidang yang paling rapat.
5.
Permukaan bersifat sangat reaktif dan mudah teroksidasi.
6.
Perhatian perlu diberikan ketika menyimpan logam partikel nano
karena bisa terjadi ledakan.
Teknologi nano saat ini berada pada masa pertumbuhannya. Beberapa
terobosan penting telah muncul di bidang nanoteknologi. Pengembangan
ini dapat ditemukan di berbagai produk yang digunakan di seluruh dunia.
Sebagai contohnya adalah katalis pengubah pada kendaraan yang
mereduksi polutan udara, devais pada komputer yang membaca-dari dan
menulis-ke hard disk, beberapa pelindung terik matahari dan kosmetik yang
secara transparan dapat menghalangi radiasi berbahaya dari matahari, dan
pelapis
khusus
pakaian
dan
perlengkapan
olahraga
yang
dapat
meningkatkan kinerja dan performa atlit.
Namun pada kesempatan kali ini, kami hanya akan membahas aplikasi
nanomaterial pada baterai High Power Ni-MH (Nickel Metal hydrate).
Battery
(Baterai)
merupakan
sel
elektris
yang
dapat
menghasilkan listrik dari reaksi kimia. Secara umum Battery
dikelompokkan menjadi 2 bagian yaitu Primary battery dan
secondary battery. Primary battery adalah battery yang dapat
digunakan
sekali
saja
tanpa
dapat
diisi
ulang
setelah
kapasitasnya habis. Secondary battery adalah battery yang
dapat diisi ulang setelah kapasitasnya habis.
Metode paling awal
untuk menghasilkan listrik adalah dengan
membuat muatan statis, ditemukan oleh Alessandro Volta (17451827) dinamai dengan “electric pistol” yang mana adalah sebuah
kabel listrik ditempatkan dalam kendi yang terisi dengan gas
metana. Dengan mengirimkan lompatan listrik melalui kabel maka
kendi akan meledak. Tahap berikutnya dalam menghasilkan listrik
adalah
dengan
proses
elektrolisis.
Pada
tahun
1800
Volta
menemukan bahwa aliran listrik yang kontinu dimungkinkan
dengan penggunaan cairan khusus sebagai penghantar untuk
mengadakan reaksi kimia diantara 2 logam. Volta menemukan
lebih jauh bahwa tegangan akan meningkat bila voltaic sel
ditumpuk atau disusun. Ini adalah awal dari penemuan battery.
Konstruksi Battery NiMH terdiri dari lapisan positif yang terbuat dari
nickel hydroxide sebagai bahan aktif utama, lapisan negatif
yang terdiri dari campuran logam yang menyerap hydrogen,
pemisah yang terbuat dari fiber halus, elektrolit alkaline, sebuah
kotak logam serta sebuah lapisan penyekat dengan ventilasi
pengaman.
Hydrogen
disimpan
dalam
logam
penyerap
hydrogen pada elektroda negatif. Sebuah larutan encer yang
terdiri dari potassium hydroxide untuk elektrolitnya.
Keuntungan dari penambahan nanomaterial Ni(OH)2 dan
Co(OH)2 adalah menambah kecepatan elektron (EV) dari
batere tersebut.
Penambahan bahan tersebut melalui proses granulasi.
Granulasi merupakan proses pembentukan butir butir kecil
menjadi kristal.
Proses granulasi tersebut di
lakukan oleh sebuah
granulator.
Fluid Bed Top Spray Granulation
Peningkatan performansi batere setelah ditambahkan granulasi
Ni(OH)2 dan Co(OH)2 dapat dilihat dalam tabel :
Pertama,
nanomaterial
Ni(OH)2
tanpa
granulasi dan campuran material apa-apa
menghasilkan 183 mAHg-1 .
Kedua, granulasi dari Ni(OH)2 menambah
kapasitas batere menjadi 215 mAHg-1 .
Ketiga, granulasi Ni(OH)2 dicampur dengan
Co(OH)2 membuat kapasitas batere menjadi
258 mAHg-1 .
Keempat, granulasi dari campuran proses
ketiga tersebut menghasilkan 289 mAHg-1 .
a.
Dengan granulasi
b.
Tanpa granulasi
Gambar A: Bahan aktif nanomaterial Ni-(OH)2 mengalami
proses granulasi sehingga partikel-partikelnya menjadi lebih
besar dalam orde mikro-meter , formasi ini mengakibatkan
elektronik konduktor mengelilingi bahan aktif material tersebut
sehingga performa electro-chemicalnya menjadi lebih baik.
Gambar B : Bahan aktif nanomaterial tidak mengalami proses
granulasi sehingga partikel-partikelnya menjadi sangat kecil
terhadap elektronik konduktor, karena pada umumnya
elektronik konduktor mempunyai besar 1-3 mikro meter, formasi
ini mengakibatkan bahan aktif yang mengelilingi elektronik
konduktor, sehingga performa electro-chemicalnya menjadi
kurang baik dibandingkan dengan yang mengalami proses
granulasi.
Pengosongan batere dapat diukur dalam C-rate
(Capacity-rate), pengukuran tersebut menggunakan
battery analyzer. kebanyakan batere portable di rate
pada 1C. Sebagai contoh batere 1000mAh, batere
tersebut dapat menyediakan 1000mA untuk 1 jam
bila dikosongkan pada 1C, batere yang sama
dikosongkan pada 0.5C akan menyediakan 500mA
untuk 2 jam sampai dia kosong. Pada 2C,batere
yang sama akan mempunyai 2000mA selama 30
menit sampai batere tersebut kosong. 1C sering
disebut sebagai 1jam pengosongan.
Sumber : Discharge Methods
Grafik discharge capacity
Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa hasil granulasi
dari nanomaterial Ni(OH)2 mencapai kapasitas 289
mAhg-1
pada 1C, sedangkan bentuk konvensional
nanomaterial Ni(OH)2 hanya mencapai 272 mAhg-1.
Selanjutnya performansi dari bahan hasil granulasi
tersebut dapat mencapai 258 mAhg-1 pada 10C. Sangat
jauh berbeda dengan bahan yang tanpa melalui proses
granulasi, dimana hanya mencapai sekitar 218 mAhg-1
pada 3C, dan. Perbandingan tersebut menunjukkan
bahwa
hasil
granulasi
dari
nanomaterial
Ni(OH)2
memberikan performa C-rate tinggi yang mencapai
10C.
1. Bahan yang tetap mengalirkan listrik meskipun berubah bentuknya.
Seorang peneliti dari Universitas Tokyo Jepang merilis dalam Journal of
Science mengenai penemuannya sekitar bahan seperti karet yang berisi
pipa carbon berukuran nano. Bahan ini mampu memanjang atau
memendek sampai beberapa kali lipat asalnya, namun tetap mengalirkan
listrik secara normal/tidak terputus. Mengalirkan listrik disini bermakna ada
transistor atau sirkuit electronic pada bahan ini, tidak hanya sekedar kawat.
Penemuan ini bisa diaplikasikan pada bidang robotika, dimana
memungkinkan desain “sendi” robot yang lebih efisien. Atau
membuat bentuk khusus yang diperlukan dari sirkuit electronic
seperti jantung buatan/implan dan komponen robot lain yang
memerlukan perubahan ukuran setiap waktu seperti pupil mata
atau sensor pada kulit persendian.
2. Bahan yang bisa tembus pandang.
Sekelompok Ilmuwan dari Nanoscale Science Engineering Center di
University of California, Berkeley dipimpin Xiang Zhang telah
membuat bahan komposit perak-alumunium oxida yang mampu
membelokkan cahaya yang diterima ke arah berlawanan dengan
sifat alamiah benda yang seharusnya memantulkan cahaya.
Efeknya, benda yang diselubungi “kain” ini akan terlihat tembus
cahaya. Fenomena ini disebut index negatif dari suatu benda
Secara teknis, bahan ini terdiri dari lapisan-lapisan komposit yang
merelay cahaya dari tiap lapisan ke lapisan selanjutnya,
sedemikian rupa sehingga membentuk channel atau saluran
cahaya yg membelokkan alur cahaya normal.
Tiap lapisan terdiri dari perak seukuran seperseratus rambut
manusia yang dijalin oleh lembar alumunium oxida.
1.
Bioavailability, didefinisikan sebagai kemampuan bahan
untuk menembus membran/lapisan jaringan tubuh melalui
berbagai cara paparan (kulit, pernafasan, dan pencernaan).
2.
Bioaccumulation, didefinisikan sebagai kemampuan partikel
yang terabsorpsi untuk terakumulasi didalam jaringan tubuh
organisme dengan berbagai jalur paparan.
3.
Toxic Potential, efek dari toksisitas nanomaterial dimungkinkan
melalui berbagai sebab yaitu kemampuan oksidasi, inflamasi
dari iritasi fisis, pelepasan dari radikal yang terkandung dan
dari pengotor (impurities) dari pembuatan nanomaterial
misalkan sisa katalis, pengotor bahan baku yang kurang
murni.
TERIMA KASIH