NANOMATERIAL

DEFINISI 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.

DEFINISI Dengan nanoteknologi, material dapat didesain dan disusun dalam orde atom-per-atom atau molekulper-molekul 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 1981 Scanning Tunneling Microscopy (STM) diciptakan oleh Heinrich Rohrer dan Gerd Binnig (Pemenang Hadiah Nobel Fisika tahun 1986) 1985 Robert Curl, Harold Kroto, dan Richard Smalley (Pemenang Hadiah Nobel Kimia tahun 1996) menemukan buckyball/fullerene 1986 Gerg Binnig, Calfin F Quate, dan Christoph Gerber menemukan Atomic Force Microscope (AFM). 1991 Sumio Iijima menemukan carbon nanotube saat ia bekerja di perusahaan NEC di Jepang. Sejarah penemuan peralatan penelitian nanoteknologi

buckyball Scanning Tunneling Microscopy (STM) Atomic Force Microscope (AFM) carbon nanotube

SEJARAH PENEMUAN 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).

SEJARAH PENEMUAN 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.

KLASIFIKASI Fullerenes Nanopartikel Secara umum Nanomaterial terbagi dalam dua kategori yaitu: Fullerenes Nanopartikel

Anggota terkecil Fullerene FULLERENES 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 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 partikel semikonduktor, resonansi plasmon dibeberapa partikel logam, dan superparamagnetism di magnetik bahan. Nanopartikel menunjukkan sejumlah sifat khusus relatif terhadap bulk material.

SIFAT Secara umum dapat disimpulkan sifat dari nanomaterial yang berkaitan dengan atom permukaan adalah sebagai berikut: Nanomaterial memiliki luas permukaan yang besar serta jumlah atom dipermukaan yang besar. Memiliki energi permukaan dan tegangan permukaan yang tinggi. Permukaan dari partikel kristalin dengan ukuran nano cenderung membentuk faset (permukaan yang tergosok rata) Bidang faset cenderung tersusun dari bidang yang paling rapat. Permukaan bersifat sangat reaktif dan mudah teroksidasi. Perhatian perlu diberikan ketika menyimpan logam partikel nano karena bisa terjadi ledakan.

APLIKASI 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 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.

SEJARAH BATTERY Metode paling awal untuk menghasilkan listrik adalah dengan membuat muatan statis, ditemukan oleh Alessandro Volta (1745-1827) 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.

NICKEL METAL HYDRATE (Ni-MH) 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.

Nano-scale material Ni(OH)2 dan Co(OH)2 pada batere Ni-MH 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.

Nano-scale material Ni(OH)2 dan Co(OH)2 pada batere Ni-MH Proses granulasi tersebut di lakukan oleh sebuah granulator. Fluid Bed Top Spray Granulation

Nano-scale material Ni(OH)2 dan Co(OH)2 pada batere Ni-MH Peningkatan performansi batere setelah ditambahkan granulasi Ni(OH)2 dan Co(OH)2 dapat dilihat dalam tabel :

Nano-scale material Ni(OH)2 dan Co(OH)2 pada batere Ni-MH 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 .

Nano-scale material Ni(OH)2 dan Co(OH)2 pada batere Ni-MH Dengan granulasi Tanpa granulasi

Nano-scale material Ni(OH)2 dan Co(OH)2 pada batere Ni-MH 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.

C-Rate 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.

Penggunaan Nano Solar Energy

Beberapa Penemuan Penting di Bidang Nanomaterial 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.

Bahaya atau Efek Samping dari Nanomaterial. Bioavailability, didefinisikan sebagai kemampuan bahan untuk menembus membran/lapisan jaringan tubuh melalui berbagai cara paparan (kulit, pernafasan, dan pencernaan). Bioaccumulation, didefinisikan sebagai kemampuan partikel yang terabsorpsi untuk terakumulasi didalam jaringan tubuh organisme dengan berbagai jalur paparan. 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