Pengantar Nanomaterial

Ukuran dewasa ini menjadi teramat penting. Semakin maju peradaban manusia maka permasalahan yang dihadapi menjadi sangat kompleks dan menantang. Tak jarang solusi yang harus dimunculkan memerlukan perhatian sampai pada ukuran yang sangat kecil yang sebelumnya belum pernah terpikirkan oleh manusia. Misalkan manusia ingin mendapatkan air murni dari air laut dengan cara memisahkan kandungan garamnya. Metode lama yang bisa dipakai adalah dengan menguapkan air laut sehingga garam akan tertinggal kemudian uap bisa diembunkan kembali dan didapatkan air suling. Namun metode ini sangat menguras energi yang sudah tidak layak lagi diterapkan dimasa depan karena biaya energi yang menjadi semakin mahal. Salah satu solusi yang dimunculkan adalah bagaimana kita bisa menyaring ion – ion garam dalam air laut sehingga kita dapatkan air murni tanpa perlu menaikkan suhu. Maka orang mulai merekayasa saringan molekuler untuk memisahkan air dari ion – ionnya. Saringan molekuler membutuhkan perhatian sampai dengan skala nanometer yang 1nm = 0,000000001 m.

(sumber=oureverydayearth.com)Gambar 1. Scale down menuju skala nanometer

Apakah kata orang – orang penting mengenai nanomaterial dan nanoteknologi?Neal Lane seorang penasehat presiden Amerika dalam ilmu dan teknologi berkata: “Jika saya ditanya mengenai bidang mana dari ilmu dan teknologi yang kemungkinan besar akan

menghasilkan terobosan – terobosan besar masa depan maka akan saya jawab ilmu dan rekayasa pada skala nano”.

Ilmu dari perekayasaan dalam ukuran kecil pertama kali dikenalkan pada tahun 1959 oleh Richard P. Feynman dalam sebuah kuliah berjudul There’s Plenty of Room at the Bottom.” ..dan pada akhirnya, pada masa depan kita akan mampu menyusun atom menurut apa yang kita inginkan, dan apa yang akan terjadi ketika kita mampu menyusun atom satu – persatu menurut apa yang kita inginkan ..”

(sumber:nano.org.uk)Gambar 2. Perbandingan ukuran rambut manusia dengan serat nano fiber

Apa beda antara Nanosains dan Nanoteknologi?Nano sains: Ilmu yang mempelajari sifat – sifat unik yang muncul ketika ukuran mendekati skala nanometer.Nanoteknologi: Rekayasa dari material fungsional/cerdas, alat, dan sistem melalui pengontrolan benda pada skala dari 1 -100 nanometer, dan eksploitasi dari fenomena pada skala tersebut.

Nanosains dan nanoteknologi mencakup berbagai disiplin ilmu sebagai berikut:Ilmu murni (Kimia, Fisika, Biologi, Material, Kedokteran)Ilmu Teknik (Mesin, Kimia, Material, Lingkungan, Metalurgi, Elektro)

Mengapa nanosains sangat menarik?1. Struktur berukuran sangat kecil akan menampakkan sifat – sifat unik diakibatkan oleh fraksi interfasa atau permukaan yang besar.2. Nanosains merupakan sarana untuk memahami dasar – dasar dari pembentukan material cerdas dan mengapa mereka memiliki sifat yang unik.3. Mengeksplorasi properti dari bahan lebih dalam dari apa yang kita ketahui saat ini.4. Ilmu baru yang mampu merangkul banyak disiplin ilmu bersama-sama.

Mengapa nanomaterials menjadi penting?1. Menawarkan kemampuan untuk memanipulasi, mengontrol dan mensintesa material pada level atom dan molekul.2. Mampu menyediakan afinitas, kapasitas dan selektifitas tingkat tinggi dari suatu material dikarenakan sifat kimia, fisika dan bilogi yang unik.

Nanomaterial dapat didefinisikan sebagai benda yang memiliki ukuran antara 1 － 100 nm. Secara geometris, nanomaterial dapat dimasukkan dalam material berdimensi rendah

(dibawah 3). Karena ukuran yang sangat kecil maka secara umum karakteristik dari material nano adalah: kecil, ringan, properti unggul, dan cerdas.

(sumber: epa.gov)

Klasifikasi material nano berdasarkan geometrisnya:1. Nol dimensional: fullerenes, quantum dots, nanoparticles, …2. Satu dimensional: nanotubes, nanorods, nanoblets, nanowires, nanofibres, …3. Dua dimensional: nanosheets, nanofilms4. Nanostructured materials: nanocomposites, quantum wells/wires, thin films, …

Karakteristik Nanomaterial 1

Nanomaterial sebenarnya bukan ilmu yang baru. Ditemukan peninggalan sejarah berupa keramik yang diberikan dekorasi berupa glasir yang mengandung dispersi logam seperti tembaga dan perak dengan ukuran partikel mencapai nanometer untuk memberikan efek optik tertentu. Gambar dibawah merupakan contoh keramik tersebut dan hasil SEM dari bahan glasirnya.

sumber: www.unizar.es

Kemudian pembuatan nanomaterial juga sudah banyak diaplikasikan dalam berbagai bidang sejak lama seperti dalam katalisis, karbon hitam, sol, uap silika, dan industri pigmen dalam hal pembuatan serbuk nano oksida, dispersi skala nano, dan cara pebuatan nanopartikel. Dibawah ini akan dibahas beberapa efek penting yang dimiliki benda jika ukurannya diperkecil menuju skala nano.

1.Efek permukaanKemudian karakteristik kunci dari nanomaterial yang pertama adalah jumlah atom

permukaan yang signifikan. Semakin kecil ukuran benda maka permukaan atom penyusun benda tersebut yang terekspos dipermukaan benda akan memiliki fraksi yang semakin besar. Misalkan benda berbentuk kubus dengan panjang sisi L terdiri dari kubus – kubus kecil dengan panjang sisi d sebesar 1/3 nm. Semakin kecil kubus maka semakin besar fraksi atom penyusun yang terekspos seperti dalam hasil hitungan tabel dibawah ini.

Misalkan kita akan memotong sebuah kubus menjadi dua. Kita asumsikan Nb adalah jumlah ikatan kimia yang terlepas, dan e adalah kekuatan ikatan kimia, sedangkan p adalah jumlah atom per luas permukaan baru maka energi permukaan dapat dinyatakan sebagai berikut:

Jika benda tersusun dari kristal dengan struktur FCC maka bisa kita hitung energi permukaan pada masaing – masing bidang permukaannya. Gambar dibawah dapat digunakan sebagai ilustrasi hitungan tersebut.

Dari gambar diatas, maka dapat disimpulkan jika bidang {111} dari FCC merupakan permukaan yang paling stabil karena mengandung energi permukaan yang paling kecil. Hal ini menyebabkan permukaan dari bahan kristalin nanopartikel cenderung tersusun dari bidang {111} seperti pada gambar berikut berupa gambar TEM dari nanopartikel emas yang

membentuk faset dengan bidang [111].

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 faset4. 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.

2. Efek Ukuran

Dalam skala nanometer, sifat baru dan fenomena unik dari bahan akan muncul. Hal ini diakibatkan karena ukuran dari nanomaterial menjadi komparabel dengan banyak parameter fisis seperti ukuran gelombang kuantum, mean free path, ukuran koherensi, dan domain dimensi yang kesemuanya menentukan sifat – sifat dari material. Dalam ilustrasi dibawah ini digambarkan perubahan suhu leleh dari logam emas yang merupakan fungsi dari ukuran partikelnya.

3. Efek Kuantum

Efek kuantum dapat dijelaskan dengan Teori Kubo, yang dideskripsikan dengan persamaan berikut.

Ketika perbedaan energi (delta E) lebih besar dari nilai k.T (maksimal internal energi dari sistem), maka akan banyak sifat yang ada pada bulk material yang hilang dan digantikan dengan sifat yang unik.

Pita energi yang kontinyu tergantikan oleh energi level yang terpisah jika ukuran partikel mendekati radius Bohr dari elektron dalam padatan hal ini dikenal dengan efek kuantum. Untuk nanomaterial, energi bandgap sangat sensitif terhadap morfologinya (ukuran, bentuk, defek) dan dari distribusi komposisinya. Dibawah ini diilustrasikan perubahan sifat optikal dari emas disebabkan perubahan ukuran.

Karakteristik Nanomaterial 2

Dalam pembahasan karakteristik nanopartikel awal telah disebutkan beberapa efek kunci yang terjadi pada reduksi ukuran benda sampai ke skala nano yaitu: efek permukaan, efek ukuran dan efek kuantum. Kombinasi dari efek – efek tersebut menimbulkan munculnya sifat fisis yang berbeda dari sifat yang dimiliki oleh bulk materialnya. Beberapa perubahan akan dicontohkan dibawah ini.

1. Perubahan struktur kristal.Misalkan pada senyawa Tantalum. Pada kondisi bulk Ta memiliki struktur kristal kubik, namun ketika ukuran diperkecil maka struktur kristal beralih ke tetragonal. Hal ini dibuktikan oleh hasil analisa menggunakan XRD seperti pada gambar dibawah ini.

2. Sifat termalSecara umum nanomaterial memiliki titik lebur yang lebih rendah dan panas spesifik yang lebih tinggi dibanding sifat bulk-nya. Kemudian reduksi ukuran ke skala nano akan menurunkan suhu sintering dan suhu pengkristalan dikarenakan kandungan energi permukaannya yang tinggi.

3. Sifat MekanikKekerasan dan kekuatan dari bahan logam dan aloy berukuran nano dapat meningkat sampai dengan satu order diatas ukuran normalnya. Ketika bahan keramik direduksi sampai skala nano sifat duktilitasnya meningkat sangat signifikan.

4. Sifat ListrikSifat konduktivitas cenderung mengalami pembalikan ketika terjadi reduksi ukuran. Nanokeramik dan nanokomposit memiliki kecenderungan menghantarkan listrik, sedangkan nanologam menjadi bersifat isolator. Contohnya Cu nanopartikel bersifat isolator sedangkan SiO2 nanopartikel bersifat penghantar listrik yang baik.

5. Sifat katalisisNanomaterial cenderung memiliki aktivitas katalisis yang lebih baik. Hal ini disebabkan luas permukaan yang bertambah dan atom diujung – ujung permukaan semakin banyak mengakibatkan bertambahnya reaktivitas dari bahan. Dibawah ini dicontohkan data aktivitas dari logam emas untuk mengkatalis oksidasi CO dengan semakin mengecilnya ukuran partikel.

Masih beberapa sifat – sifat yang lain yang mengalami perubahan atau peningkatan misalnya sifat kemagnetan, sifat optis dan difusi permukaan.