KIMIA BARU DUNIA NANOTEKNOLOG
KEGIATAN PEMBELAJARAN 1: KIMIA BARU DUNIA NANOTEKNOLOG
C. Uraian Mater
2. Penerapan Nanoteknolog
a. Nanoteknologi dalam bioteknologi analitis
Pada bioteknologi analitis, nanoteknologi memungkinkan metode-metode baru yang jauh lebih sensitif dan stabil dibandingkan metode konvensional. Perkembangan MEMS, yang sekalipun berangkat dari teknologi konvensional IC, masih berlangsung demikian pesat, dengan adanya aplikasi-aplikasi baru dalam optik (muncul MOEMS - Micro Optical Electro Mechanical System), dalam sistem sensor terintegrasi nir-kawat, dan juga dalam aplikasi RF (Radio Frequency)-MEMS. Pada pengembangan nanoteknologi inilah demikian terasa, betapa latar belakang ilmu dan teknologi yang multi disiplin sangat diperlukan: matematika untuk pemodelan, fisika untuk pemahaman fenomena-fenomena gaya dan energi, kimia (anorganik maupun organik) untuk pemahaman sifat material, serta biologi untuk pembelajaran sistem-sistem rekayasa pada makhluk hidup. Selain itu, kreativitas dan daya kreasi yang tinggi sangat diperlukan untuk menemukan terobosan teknik dan metoda baru, serta aplikasi yang cocok.
Gambar 1.17 Ilustrasi dari nanorobot yang bekerja memperbaiki jaringan atau sel dan sistem nanogear yang menggerakkan nanorobot tersebut
b. Nanoteknologi Anorganik
Istilah material nano anorganik biasanya digunakan untuk menunjukkan struktur nano yang hanya tersusun dari material selain Carbon, atau jika terdapat unsur atom Carbon, maka atom-atom Carbonnya tidak dikombinasikan dengan unsur
22
PPPPTK IPA
Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan - Kemdikbud
KEGIATAN PEMBELAJARAN 1: KIMIA BARU DUNIA NANOTEKNOLOGI
KELOMPOK KOMPETENSI J
Fullerene merupakan struktur nano yang tersusun dari 60 buah atom Carbon (C60) dan memiliki simetri seperti bola. Fullerene secara formal dikenal sebagai
buckministerfullerene atau disingkat buckeyballs. Penemuan terhadap fullerene ini memberikan harapan baru untuk diterapkan dalam berbagai bidang, terutama untuk bidang elektronika dan kedokteran.
Gambar 1.18 Struktur Fullerene
Nanotube adalah material berbentuk silinder dengan ketebalan kulit silinder kurang dari 100 nm. Contoh yang terkenal adalah carbon nanotube dengan kulit silinder berupa satu atau beberapa lapis atom carbon. Struktur material nanotube dapat dipandang sebagai jalinan selapis carbon yang bergulung membentuk tabung berukuran nano. Jika lapisannya tunggal maka disebut SWNT (single wall nanotube) dan jika lapisannya lebih dari satu maka disebut MWNT (multi wall nanotube). Baik SNWT maupun MWNT memiliki sifat listrik, mekanik, dan termal yang unik. Sebagai contoh, sifat listriknya dapat berlaku sebagai penghantar listrik maupun semikonduktor tergantung pada bentuk dan ukuran serta orientasi gulungan carbon. Material nano ini dapat memiliki kapasitas penghantaran listrik hingga satu milyar amps/cm persegi. Sedangkan sifat mekaniknya mencapai 20 kali lebih kuat dari sifat mekanik baja alloy yang berkualitas tinggi. Nanotube lain yang berhasil dibuat adalah boron nitrida (BN) nanotube yang kulitnya terdiri atas beberapa atom boron dan nitrogen.
Modul Guru Pembelajar Mata Pelajaran Kimia SMA
Gambar 1.19 Carbon nanotube jenis SWNT
Gambar 1.20 Carbon nanotube jenis MWNT
Nanowire atau dikenal juga sebagai nanorods (batang nano) atau nanowhisker
(rambut janggut nano) merupakan blok pembangun anorganik yang memiliki potensi aplikasi yang tinggi. Nanowire merupakan material padatan anorganik berbentuk seperti kabel yang dapat dibuat dari silikon, oksida seng (ZnO), dan berbagai logam lain. Meskipun diameternya hanya dalam skala nanometer, namun panjang nanowire dapat mencapai ribuan kali diameternya atau hingga puluhan mikrometer. Nanowire memiliki sifat optik dan listrik yang sebagaimana nanotube. Sebagai contoh, nanowire dapat mengemisikan sinar laser berlaku sebagaimana fiber optik.
24
PPPPTK IPA
Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan - Kemdikbud
KEGIATAN PEMBELAJARAN 1: KIMIA BARU DUNIA NANOTEKNOLOGI
KELOMPOK KOMPETENSI J
Gambar 1.21 SEM image of nanowire
Nanoporous, adalah material yang mengandung sejumlah poros (pori) dan ukuran tiap poros kurang dari 100 nm. Contoh material ini adalah zeolite dan MCM-41 (silikon dioksida yang mengandung poros yang tersusun secara heksagonal).
Nanokristal semikonduktor (nanopartikel) atau dikenal juga dengan nanodots
atau quantum dots (QDs) merupakan material semikonduktor berukuran nano meter (nm). Biasanya ukuran QDs berkisar antara 3 hingga 25 nm. Bisa dibandingkan dengan jarak antar atom dalam sebuah susunan Kristal adalah 1 – 2 Amstrong (atau 0,1 – 0,2 nm). Ini artinya bahwa sebuah quantum dot (QD) hanya terdiri dari kurang lebih 1000 atom. Karena jumlahnya yang sudah bisa terbilang (countable) maka QDs kini dinobatkan sebagai material terkecil buatan manusia yang setara dengan satu atom (artificial atom). Material yang digunakan untuk membuat QDs adalah material semikonduktor, seperti GaN (Gallium Nitride), CdSe (Cadmium Selenide), CdTe, GaAs (Gallium Arsenide) dan lain- lainya. Karena bahan dasarnya adalah semikonduktor, maka QDs bisa diapplikasi untuk alat-alat optic yang berbasis semikonduktor seperti LED (light emitting diode), Laser diode, Solar Cell, dll. Kedua, karena ukurannya yang mendekati Amstrong, maka mudah untuk dilekatkan pada element-element biologi, seperti protein, DNA, atau sel. Dalam hal ini QDs digunakan sebagai label yang bisa memancarkan cahaya sebagai deteksi keberadaan element bio. Ketiga, karena ukurannya yang kecil dan mendekati sebuah atom, maka akan sangat berpotensi untuk bidang komunikasi dan transfer informasi. Cahaya saat ini sudah bisa menggantikan peran electron sebagai penghantar informasi.
Modul Guru Pembelajar Mata Pelajaran Kimia SMA
Gambar 1.22 Quantum Dots Bulk
c. Nanoteknologi Keramik
Keramik adalah material-material padat anorganik nonlogam. Material tersebut dapat berupa kristalin atau nonkristalin. Keramik nonkristalin meliputi gelas dan material lain dengan struktur tidak beraturan (amorf), sedangkan yang kristalin memiliki struktur beraturan. Keramik dapat memiliki struktur jaringan kovalen, ikatan ion, atau gabungan keduanya. Secara umum bersifat keras, getas, dan stabil terhadap suhu sangat tinggi. Contoh keramik, misalnya semen, keramik cina, bata tahan api, insulator listrik, dan suku cadang mesin. Bahan-bahan keramik berasal dari berbagai bahan kimia meliputi silikat, oksida logam, karbida (karbon dan logam), nitrida (nitrogen dan logam), atau alumina (Al2O3). Simak Tabel 1.1 untuk mengetahui sifat-sifat bahan keramik.
Tabel 1.1 Sifat-Sifat Bahan Keramik dengan Baja Lunak Sebagai Pembanding Material Titik Leleh
(°C) Kerapatan (g/cm3) Kekerasan (Mohs) Modulus Elastisitas Koefisien Termal Al2O3 2050 3,8 9 34 8,1 SiC 2800 3,2 9 65 4,3 ZrO2 2660 5,6 8 24 6,6 BeO 2550 3,0 9 40 10,4 Baja lunak 1370 7,9 5 17 15
26
PPPPTK IPA
Direktorat Jenderal Guru dan Tenaga Kependidikan - Kemdikbud
KEGIATAN PEMBELAJARAN 1: KIMIA BARU DUNIA NANOTEKNOLOGI
KELOMPOK KOMPETENSI J
komposit. Komposit lebih efektif dibentuk melalui penambahan fiber keramik ke dalam material keramik. Pembentukan fiber keramik dapat diilustrasikan, misalnya dengan silikon karbida (SiC) atau karborundum. Komposit keramik secara luas digunakan sebagai alat pemotong logam. Misalnya, alumina diperkuat dengan silikon karbida yang digunakan untuk memotong dan pengeras logam paduan berbasis nikel. Material keramik juga digunakan untuk roda penggiling dan ampelas sebab memiliki kekerasan yang tinggi. Beberapa keramik, seperti kuarsa (kristal SiO2) merupakan piezo elektric. Kuarsa ini dapat membangkitkan potensial listrik jika bahan tersebut ditekan secara mekanik. Salah satu kegunaan material keramik yang sangat populer adalah keramik untuk lantai (tile ceramic) dengan permukaan mengkilap. Selain memiliki nilai estetika yang indah, keramik juga dapat melindungi panas dari bumi sehingga lantai tetap terasa dingin.
