MAKALAH TEKNOLOGI NANO KARBON NANOTUBE Dosen Pengampu: Wisnu Pambudi, M.Sc. Disusun Oleh: Kelompok 3 Alifia Rindi Safira (1803036) Fa’islam Dinullah (1803041) Dewi Kumala (1803049) Rizka Irma Dwi A. (1803058) Ahmad Naufal Z. (1803060) PROGRAM STUDI TEKNOLOGI PENGOLAHAN KARET DAN PLASTIK KEMENTERIAN PERINDUSTRIAN RI POLITEKNIK ATK YOGYAKARTA 2020 I. Tujuan Tujuan dari pembuatan makalah ini adalah: a. Mengetahui dan memahami tentang karbon nanotube. b. Mengetahui macam-macam karbon nanotube dan kegunaannya. c. Mengetahui dan memahami pembentukan karbon nanotube. d. Mengetahui dan memahami sifat-sifat karbon nanotube. II. Isi A. Karbon nanotube Karbon nanotube atau Carbon Nanotube (CNT) adalah nanomaterial yang berasal dari bidang graphene yang memiliki berbagai sifat kimia dan fisik yang menarik. Karbon nanotube merupakan alotrop karbon yang memiliki struktur nano yang dapat dideskripsikan sebagai lembaran grafit setebal 1 atom yang digulung menyerupai silinder dan memiliki diameter dengan orde nanometer. Lembaran tersebut memiliki struktur seperti sarang lebah (honeycomb) yang terdiri dari ikatan-ikatan atom karbon (Poole, 2003). Gambar 1. Struktur tiga dimensi karbon nanotube Salah satu keunikan dalam struktur ini adalah kelebihannya dalam hal kekuatan, sifat keelektrikannya, dan juga sifat dalam penghantaran panas yang baik. Struktur carbon nanotube yang unik memungkinkannya memiliki sifat kenyal, daya regang, dan stabil dibandingkan struktur carbon lainnya. Kelebihannya ini dapat dimanfaatkan dalam pengembangan struktur bangunan yang kuat, struktur kendaraan yang aman, dan lainnya. Hal ini dikarenakan carbon nanotube memiliki ikatan sp3 menyerupai struktur di grafit. Ikatan ini lebih kuat dibandingkan dengan struktur ikatan sp2 yang dimiliki oleh intan. Dengan demikian secara alami carbon nanotube akan membentuk ikatan yang sangat kuat (Pandey, 2016). B. Macam-macam Karbon Nanotube Berdasarkan jumlah dindingnya, karbon nanotube dikelompokkan menjadi dua macam, yaitu Single Walled Carbon Nanotube (SWCNT) dan Muliple Walled Carbon Nanotube (MWCNT). 1. Single Walled Carbon Nanotube (SWCNT) SWCNT terdiri dari lapisan karbon silinder tunggal dengan diameter dalam kisaran 0,4-2 nm, tergantung suhu sintesisnya. Struktur ini memiliki diameter kurang lebih 1 nanometer dan memiliki panjang hingga ribuan kali dari diameternya. Struktur SWCNT dapat dideskripsikan menyerupai sebuah lembaran panjang struktur grafit (disebut graphene) yang tergulung. Umumnya SWCNT terdiri dari dua bagian dengan properti fisik dan kimia yang berbeda. Bagian pertama adalah bagian sisi dan bagian kedua adalah bagian kepala. SWCNT memiliki beberapa bentuk struktur berbeda yang dapat dilihat apabila struktur tube dibuka. Gambar 2. Struktur SWCNT dapat berupa Armchair (a), Zigzag (b), dan Chiral (c) Gambar 3. Struktur SWCNT secara vektor Pada gambar 3 terlihat cara lembaran grafit (graphene) dilipat dapat dijabarkan oleh chiral vector Ch yang direpresentasikan oleh pasangan (n,m). n dan m menunjukkan jumlah unit vektor di antara 2 vektor di dalam crystal lattice dari graphene. Jika m=0 maka struktur SWCNT dinamakan struktur zigzag. Jika n=m maka struktur SWCNT dinamakan struktur armchair. Selebihnya dinamakan struktur chiral. Perbedaan dalam chiral vector akan menyebabkan perbedaan sifat struktur, misalnya sifat struktur terhadap cahaya, kekuatan mekanik, dan konduktivitas elektrik. SWCNT memiliki sifat keelektrikan yang tidak dimiliki oleh struktur MWCNT. Hal ini memungkinkan pengembangan struktur SWCNT menjadi nanowire karena SWCNT dapat menjadi konduktor yang baik (Klump,2006). Beberapa kegunaan dari SWCNT adalah sebagai berikut: Sebagai aditif dalam polimer (plastik) untuk meningkatkan kekuatan dan konduktivitas listrik pada saat bersamaan Sebagai katalis dalam beberapa reaksi kimia untuk reaksi yang lebih terkontrol dan hasil terbaik Sebagai pemancar medan elektron Sebagai bahan yang lebih efisien untuk tampilan panel datar Sebagai tabung pengisi gas di jaringan telekomunikasi Untuk penyerapan dan perisai elektromagnetik Sebagai pengganti anoda baterai litium konvensional Sebagai komposit tabung nano, dibuat dengan melapisi atau mengisi Sebagai probe nano, untuk EFM, STM, AFM dan pemberian obat-obat 2. Muliple Walled Carbon Nanotube (MWCNT) MWCNT terdiri dari beberapa silinder koaksial, masing-masing terbuat dari satu lembar grafem yang mengelilingi inti berongga. Diameter luar MWCNT berkisar antara 2-100 nm, sedangkan diameter dalam berkisar antara 1-3 nm, dan panjangnya satu sampai beberapa mikrometer. Hibridisasi sp2 di MWCNT, awan elektron yang terdelokalisasi di sepanjang dinding yang dihasilkan bertanggung jawab untuk interaksi antara lapisan silinder yang berdekatan di MWCNT yang menghasilkan cacat berupa kurang fleksibel dan lebih struktural. Struktur MWCNT dapat dibagi menjadi dua kategori berdasarkan pengaturan lapisan grafitnya: satu memiliki struktur seperti perkamen yang terdiri dari lembaran graphene yang digulung di sekitarnya dan yang lainnya dikenal sebagai model boneka Rusia dimana lapisan lembaran graphene disusun dalam struktur konsentris (Madani,2011). Gambar 4. Struktur MWCNT MWCNT memiliki sifat yang penting karena memiliki sifat yang menyerupai SWCNT dengan chemical resistance yang lebih baik. Hal ini dikarenakan pada SWCNT hanya memiliki 1 lapis dinding sehingga apabila terdapat ikatan C=C yang rusak maka akan menghasilkan lubang di SWCNT dan hal ini akan mengubah sifat mekanik dan elektrik dari ikatan SWCNT tersebut. Sedangkan pada MWCNT masih terdapat 1 lapisan lagi di dalam yang akan mempertahankan sifatnya. Beberapa contoh kegunaan dari MWCNT adalah sebagai berikut: Penggunaan MWCNT dalam baterai dapat menggandakan daya penyimpanan. Dalam sel surya, karena sel surya berbasis MWCNT memiliki menara setinggi 100 mikrometer, yang secara komparatif menyerap lebih banyak sinar matahari, sehingga memastikan pembangkit listrik yang jauh lebih tinggi. Dalam transistor, di mana ukurannya bisa sangat diperkecil lebih jauh, menghasilkan versi elektronik yang lebih kompak dan mikro - nanoelektronik. Untuk layar panel datar, sebagai merek elektronik global, Samsung, telah membuat tampilan emisi lapangan dengan garis-garis MWCNT pada katoda, dan garis-garis ITO berlapis fosfor pada anoda. Dalam hal penyimpanan energi yang lebih baik, MWCNT adalah kapasitor elektrokimia yang lebih kuat dibandingkan dengan bentuk karbon lainnya. C. Metode Pembuatan Karbon Nanotubes Terdapat beberapa cara dalam pembentukan nanotube, namun secara umum yang banyak digunakan adalah metode pelepasan bunga api (arc discharge), CVD (Chemical Vapour Deposition), dan laser ablation. a. Metode Arc Discharge Metode ini menggunakan 2 buah batang carbon yang diletakkan saling berhadapan pada ujungnya dan dipisahkan sejarak kurang lebih 1 mm. Ruang yang terpisah ini kemudian dialiri gas seperti Helium dan Argon pada tekanan rendah (50-700 mbar).Kemudian arus listrik sebesar 50-100 A dan tegangan 20 volt diberikan sehingga menciptakan perubahan suhu yang tinggi di antara ujung elektroda sehingga akan terjadi penguapan di ujung batang tersebut. Kemudian proses ini akan dilanjutkan dengan pembentukkan lapisan oleh uap dari penguapan batang tersebut pada ujung batang lainnya. Peristiwa ini dapat dilihat pada gambar 5. Gambar 5. Proses pembentukan karbon nanotube dengan metode Arch Discharge Pada proses ini dapat terbentuk 2 buah struktur yaitu SWCNT dan MWCNT. Bilamana diinginkan hasilnya SWCNT maka pada anoda didoping dengan katalis logam seperti Fe, Co, dan Ni. Kuantitas dan kualitas dari nanotube tergantung dari beberapa parameter seperti konsentrasi logam yang digunakan, tekanan gas, jenis gas, dan berbagai parameter lainnya. Sedangkan pada MWCNT tidak menggunakan doping seperti halnya proses pembentukan SWCNT. Namun dalam proses pembentukan MWCNT akan terbentuk berbagai bahan lain yang tidak diinginkan. Bila diusahakan benarbenar murni maka akan MWCNT yang terbentuk akan kehilangan strukturnya dan dinding struktur yang tidak teratur. b. Metode CVD (Chemical Vapour Deposition) Metode ini telah ada sejak tahun 1959 namun baru dipakai sejak tahun 1993 untuk proses pembentukan nanotube. Pada proses ini carbon disiapkan dengan lapisan partikel logam katalis, seperti nikel, kobalt, besi, atau kombinasinya dan dikondisikan pada suhu sekitar 700 oC. Sementara itu 2 jenis gas, yaitu gas untuk proses seperti ammonia, nitrogen, hydrogen dan sebagainya serta gas yang mengandung carbon seperti acetylene, ethylene, ethanol, methane, dan sebagainya, dialirkan ke dalam proses. Gambar 6. Reaktor pembentukan karbon nanotube metode CVD c. Metode Laser Ablation Metode ini menggunakan laser untuk menguapkan grafit pada suhu 1200 oC. Ruangan tempat berlangsungnya proses ini akan diisi dengan gas helium atau argon dan dijaga tetap pada tekanan 500 Torr. Pada keadaan ini maka akan terbentuk uap yang kemudian dengan cepat akan kembali dingin. Keadaan ini akan menyebabkan terbentuknya atom dan molekul carbon dan akan terbentuk kelompok yang besar. Kelompok-kelompok ini kemudian akan tumbuh menjadi single-wall carbon nanotube. Kondisi yang menggambarkan peristiwa ini digambarkan pada gambar 7. Gambar 7. Metode Laser Ablation D. Sifat-sifat Karbon Nanotube a. Konduktivitas Listrik dan Panas Sifat keelektrikan yang dimiliki oleh carbon nanotube ditentukan oleh struktur yang dimilikinya. Struktur ini menyangkut diameter dan bagaimana tube ”digulung” menjadi karbon nanotube. Bilamana mengacu pada gambar 3, maka untuk karbon nanotube (n,m), bila n-m adalah kelipatan dari 3 maka karbon nanotube tersebut bersifat konduktor, dan selain itu bersifat semikonduktor. Sehingga untuk struktur armchair akan selalu bersifat logam (n=m). Karbon nanotube memiliki densitas arus listrik 1000 kali lebih besar daripada logam seperti perak dan tembaga. Ketika karbon nanotube bersifat sebagai konduktor, karbon nanotube memiliki konduktivitas yang sangat tinggi. Diperkirakan pada saat karbon nanotube bersifat sebagai konduktor maka ia mempunyai konduktivitas listrik sebesar 1 milyar Ampere per 1 cm2 . Hal ini tidak mungkin terjadi pada bahan tembaga karena akan terjadi panas yang dapat melelehkan tembaga. Pada karbon nanotube tidak akan terjadi panas yang tinggi karena hambatan yang rendah. Karbon nanotube juga memiliki konduktivitas panas yang baik. Hal ini yang kemudian karbon nanotube diberi sebutan ballistic conduction. Karbon nanotube memiliki kemampuan untuk mentransmisikan 6000 W/m/K di suhu ruangan (pada tembaga hanya 385 W/m/K). Selain itu nanotube tetap stabil hingga suhu 2800 oC di ruang hampa udara dan sekitar 750 -C di udara bebas. b. Kekuatan Mekanik Nanotube memiliki modulus elastik dan sifat peregangan yang sangat baik. Sifat ini karena ikatan sp2 yang dimiliki oleh karbon nanotube ini. Tipe MWCNT dapat menangani hingga 63 GPa regangan yang diberikan padanya (pada baja carbon terbaik saat ini hanya mampu menahan peregangan hingga 1.2 GPa). Sedangkan modulus elastik yang dimiliki oleh nanotube dapat mencapai 1 TPa. Saat ini telah diketahui pula nanotube memiliki kekuatan hingga 48462 kN.m/kg (dibandingkan baja karbon terbaik hanya 154 kN.m/kg). Gambar 8. Perbandingan sifat mekanik karbon dan fiber grafit c. Sifat Vibrasi Atom memiliki pola getaran yang kontinue dan periodik. Pada MWCNT, dimana beberapa karbon nanotube saling terpola satu di dalam yang lain, memperlihatkan bahwa pada lapisan yang di dalam akan bergetar sedemikian hingga mendekati pola gerakan yang berputar sempurna tanpa adanya gesekan dengan lapisan di atasnya. Pendekatan ini kemudian dapat dikembangkan menjadi motor dalam skala nanometer. Pergetaran ini sangat ditentukan oleh diameter dari karbon nanotube. III. Kesimpulan Daftar Pustaka Klumpp C, Kostarelos K, Prato M, Bianco A. Functionalized carbon nanotubes as emerging nanovectors for the delivery of therapeutics, Biochem Biophys Acta 2006; 1758:404-412. C. P. Poole Jr., F. J. Ourens, Introduction to Nanotechnology, 2003, New Jersey, pp.1, 116,123 Madani SY, Naderi N, Dissanayake O, Tan A, Seifalian AM. A new era of cancer treatment: carbon nanotubes as drug delivery tools. Int J Nanomedicine. 2011; 6(1):29632979.
