Pengantar Nanomaterial
Pengantar Nanomaterial
Ukuran dewasa ini menjadi teramat penting. Semakin maju peradaban manusia maka Ukuran dewasa ini menjadi teramat penting. Semakin maju peradaban manusia maka permasalahan yang dihadapi menjadi
permasalahan yang dihadapi menjadi sangat kompleks dan menantang. Tak jarang solusisangat kompleks dan menantang. Tak jarang solusi yang harus dimunculkan memerlukan perhatian sampai pada ukuran yang sangat kecil yang yang harus dimunculkan memerlukan perhatian sampai pada ukuran yang sangat kecil yang sebelumnya belum pernah terpikirkan oleh
sebelumnya belum pernah terpikirkan oleh manusia. Misalkan manusia ingin mendapatkanmanusia. Misalkan manusia ingin mendapatkan air murni dari air laut dengan cara memisahkan kandungan garamnya. Metode lama yang bisa 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 dipakai adalah dengan menguapkan air laut sehingga garam akan tertinggal kemudian uap bisa diembunkan kembali dan didapatkan air
bisa diembunkan kembali dan didapatkan air suling. Namun metode ini sangat mengurassuling. Namun metode ini sangat menguras energi yang sudah tidak layak lagi diterapkan dimasa depan karena biaya energi yang 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 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 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 menaikkan suhu. Maka orang mulai merekayasa saringan molekuler untuk memisahkan air dari ion – ionnya. Saringan molekuler membutuhkan perhatian sampai dengan skala
dari ion – ionnya. Saringan molekuler membutuhkan perhatian sampai dengan skala nanometer yang 1nm = 0,000000001 m.
nanometer yang 1nm = 0,000000001 m.
(sumber=oureverydayearth.com) (sumber=oureverydayearth.com)
Gambar 1. Scale down menuju skala nanometer Gambar 1. Scale down menuju skala nanometer Apakah kata orang –
Apakah kata orang – orang penting mengenai nanomaterial dan orang penting mengenai nanomaterial dan nanoteknologi?nanoteknologi?
Neal Lane seorang penasehat presiden Amerika dalam ilmu dan teknologi berkata: “Jika saya 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 ditanya mengenai bidang mana dari ilmu dan teknologi yang kemungkinan besar akan
menghasilkan terobosan – terobosan besar masa depan maka akan saya jawab ilmu dan menghasilkan terobosan – terobosan besar masa depan maka akan saya jawab ilmu dan rekayasa pada skala nano”.
rekayasa pada skala nano”.
Ilmu dari perekayasaan dalam ukuran kecil pertama kali dikenalkan pada tahun 1959 oleh Ilmu dari perekayasaan dalam ukuran kecil pertama kali dikenalkan pada tahun 1959 oleh Richard P. Feynman dalam
Richard P. Feynman dalam sebuah kuliah berjudulsebuah kuliah berjudul There’s Plenty of Room at the Bottom.There’s Plenty of Room at the Bottom. ” ..dan pada akhirnya, pada masa depan kita akan mampu menyusun atom menurut apa yang ” ..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 kita inginkan, dan apa yang akan terjadi ketika kita mampu menyusun atom satu – persatu menurut apa yang kita inginkan ..”
menurut apa yang kita inginkan ..”
(sumber:nano.org.uk) (sumber:nano.org.uk)
Gambar 2. Perbandingan ukuran rambut manusia dengan serat nano fiber Gambar 2. Perbandingan ukuran rambut manusia dengan serat nano fiber Apa beda antara
Apa beda antara Nanosains dan Nanoteknologi?Nanosains dan Nanoteknologi?
Nano sains: Ilmu yang mempelajari sifat – sifat unik yang muncul ketika ukuran mendekati Nano sains: Ilmu yang mempelajari sifat – sifat unik yang muncul ketika ukuran mendekati
skala nanometer. skala nanometer.
Nanoteknologi: Rekayasa dari material fungsional/cerdas, alat, dan sistem melalui Nanoteknologi: Rekayasa dari material fungsional/cerdas, alat, dan sistem melalui
pengontrolan benda pada skala dari 1 -100 nanometer, dan eksploitasi dari fenomena pada pengontrolan benda pada skala dari 1 -100 nanometer, dan eksploitasi dari fenomena pada
skala tersebut. skala tersebut.
Nanosains dan nanoteknologi mencakup berbagai disiplin ilmu sebagai
Nanosains dan nanoteknologi mencakup berbagai disiplin ilmu sebagai berikut:berikut: Ilmu murni (Kimia, Fisika, Biologi, Material, Kedokteran)
Ilmu murni (Kimia, Fisika, Biologi, Material, Kedokteran)
Ilmu Teknik (Mesin, Kimia, Material, Lingkungan, Metalurgi, Elektro) Ilmu Teknik (Mesin, Kimia, Material, Lingkungan, Metalurgi, Elektro) Mengapa nanosains sangat menarik?
Mengapa nanosains sangat menarik?
1. Struktur berukuran sangat kecil akan menampakkan sifat – sifat unik diakibatkan oleh 1. Struktur berukuran sangat kecil akan menampakkan sifat – sifat unik diakibatkan oleh fraksi interfasa atau permukaan yang besar.
fraksi interfasa atau permukaan yang besar.
2. Nanosains merupakan sarana untuk memahami dasar – dasar dari pembentukan material 2. Nanosains merupakan sarana untuk memahami dasar – dasar dari pembentukan material cerdas dan mengapa mereka memiliki sifat yang unik.
cerdas dan mengapa mereka memiliki sifat yang unik.
3. Mengeksplorasi properti dari bahan lebih dalam dari apa yang kita ketahui saat ini. 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.
4. Ilmu baru yang mampu merangkul banyak disiplin ilmu bersama-sama. Mengapa nanomaterials menjadi penting?
Mengapa nanomaterials menjadi penting?
1. Menawarkan kemampuan untuk memanipulasi, mengontrol dan mensintesa material pada 1. Menawarkan kemampuan untuk memanipulasi, mengontrol dan mensintesa material pada level atom dan molekul.
level atom dan molekul.
2. Mampu menyediakan afinitas, kapasitas dan selektifitas tingkat tinggi dari suatu material 2. Mampu menyediakan afinitas, kapasitas dan selektifitas tingkat tinggi dari suatu material dikarenakan sifat kimia, fisika dan bilogi yang unik.
dikarenakan sifat kimia, fisika dan bilogi yang unik.
Nanomaterial dapat didefinisikan sebagai benda yang memiliki ukuran antara 1
Nanomaterial dapat didefinisikan sebagai benda yang memiliki ukuran antara 1
－
－
100 nm.100 nm. Secara geometris, nanomaterial dapat dimasukkan dalam material berdimensi rendah(dibawah 3). Karena ukuran yang sangat kecil maka secara umum karakteristik dari material (dibawah 3). Karena ukuran yang sangat kecil maka secara umum karakteristik dari material nano adalah: kecil, ringan, properti unggul, dan cerdas.
nano adalah: kecil, ringan, properti unggul, dan cerdas.
(sumber: epa.gov) (sumber: epa.gov)
Klasifikasi material nano berdasarkan geometrisnya: Klasifikasi material nano berdasarkan geometrisnya:
1. Nol dimensional: fullerenes, quantum dots, nanoparticles, … 1. Nol dimensional: fullerenes, quantum dots, nanoparticles, …
2. Satu dimensional: nanotubes, nanorods, nanoblets, nanowires, nanofibres, … 2. Satu dimensional: nanotubes, nanorods, nanoblets, nanowires, nanofibres, … 3. Dua dimensional: nanosheets, nanofilms
3. Dua dimensional: nanosheets, nanofilms
4. Nanostructured materials: nanocomposites, quantum wells/wires, thin films, … 4. Nanostructured materials: nanocomposites, quantum wells/wires, thin films, …
Karakteristik Nanomaterial 1
Karakteristik Nanomaterial 1
Nanomaterial sebenarnya bukan ilmu yang baru. Ditemukan peninggalan sejarah berupa Nanomaterial sebenarnya bukan ilmu yang baru. Ditemukan peninggalan sejarah berupa
keramik yang diberikan dekorasi berupa
keramik yang diberikan dekorasi berupa glasir yang mengandung dispersi logam sepertiglasir yang mengandung dispersi logam seperti tembaga dan perak dengan ukuran partikel mencapai nanometer untuk memberikan efek tembaga dan perak dengan ukuran partikel mencapai nanometer untuk memberikan efek optik tertentu. Gambar dibawah merupakan contoh keramik tersebut dan hasil SEM dari optik tertentu. Gambar dibawah merupakan contoh keramik tersebut dan hasil SEM dari bahan glasirnya.
bahan glasirnya.
sumber:
sumber: www.unizar.ewww.unizar.ess
Kemudian pembuatan nanomaterial juga sudah banyak diaplikasikan dalam berbagai bidang Kemudian pembuatan nanomaterial juga sudah banyak diaplikasikan dalam berbagai bidang sejak lama seperti dalam katalisis, karbon hitam,
sejak lama seperti dalam katalisis, karbon hitam, sol sol , uap silika, dan industri pigmen dalam, uap silika, dan industri pigmen dalam hal pembuatan serbuk nano oksida, dispersi skala
hal pembuatan serbuk nano oksida, dispersi skala nano, dan cara pebuatan nano, dan cara pebuatan nanopartikel.nanopartikel. Dibawah ini akan dibahas beberapa efek penting yang dimiliki benda jika ukurannya Dibawah ini akan dibahas beberapa efek penting yang dimiliki benda jika ukurannya diperkecil menuju skala nano.
diperkecil menuju skala nano. 1.Efek permukaan
1.Efek permukaan
Kemudian karakteristik kunci dari nanomaterial yang pertama adalah jumlah atom Kemudian karakteristik kunci dari nanomaterial yang pertama adalah jumlah atom
permukaan yang signifikan. Semakin kecil
permukaan yang signifikan. Semakin kecil ukuran benda maka permukaan atom penyusunukuran benda maka permukaan atom penyusun benda tersebut yang terekspos dipermukaan benda akan memiliki fraksi yang semakin besar. benda tersebut yang terekspos dipermukaan benda akan memiliki fraksi yang semakin besar.
Misalkan benda berbentuk kubus dengan panjang sisi L ter
Misalkan benda berbentuk kubus dengan panjang sisi L ter diri dari kubus – kubus kecildiri dari kubus – kubus kecil dengan panjang sisi d sebesar 1/3 nm. Semakin kecil kubus maka semakin besar fraksi atom dengan panjang sisi d sebesar 1/3 nm. Semakin kecil kubus maka semakin besar fraksi atom penyusun yang terekspos seperti dalam hasil hitungan tabel
penyusun yang terekspos seperti dalam hasil hitungan tabel dibawah ini.dibawah ini.
Misalkan kita akan memotong sebuah kubus menjadi
Misalkan kita akan memotong sebuah kubus menjadi dua. Kita asumsikan Nb adalah dua. Kita asumsikan Nb adalah jumlahjumlah ikatan kimia yang terlepas, dan e adalah kekuatan ikatan kimia, sedangkan
ikatan kimia yang terlepas, dan e adalah kekuatan ikatan kimia, sedangkan p padalah jumlahadalah jumlah atom per luas permukaan baru maka energi permukaan dapat dinyatakan sebagai berikut: 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 Jika benda tersusun dari kristal dengan struktur FCC maka bisa kita hitung energi permukaan pada masaing – masing bidang permukaannya. Gambar
pada masaing – masing bidang permukaannya. Gambar dibawah dapat digunakan sebagaidibawah dapat digunakan sebagai ilustrasi hitungan tersebut.
ilustrasi hitungan tersebut.
Dari gambar diatas, maka dapat disimpulkan jika bidang {111} dari FCC merupakan Dari gambar diatas, maka dapat disimpulkan jika bidang {111} dari FCC merupakan
permukaan yang paling stabil karena mengandung energi permukaan yang paling kecil. Hal permukaan yang paling stabil karena mengandung energi permukaan yang paling kecil. Hal
ini menyebabkan permukaan dari bahan kristalin nanopartikel cenderung tersusun dari bidang 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]. membentuk faset dengan bidang [111].
Secara umum dapat disimpulkan sifat dari nanomaterial yang berkaitan dengan atom Secara umum dapat disimpulkan sifat dari nanomaterial yang berkaitan dengan atom permukaan adalah sebagai berikut:
permukaan adalah sebagai berikut:
1. Nanomaterial memiliki luas permukaan yang besar serta jumlah atom dipermukaan yang 1. Nanomaterial memiliki luas permukaan yang besar serta jumlah atom dipermukaan yang besar.
besar.
2. Memiliki energi permukaan dan tegangan permukaan yang tinggi. 2. Memiliki energi permukaan dan tegangan permukaan yang tinggi.
3. Permukaan dari partikel kristalin dengan ukuran nano cenderung membentuk faset 3. Permukaan dari partikel kristalin dengan ukuran nano cenderung membentuk faset 4. Bidang faset cenderung tersusun dari bidang yang paling rapat.
4. Bidang faset cenderung tersusun dari bidang yang paling rapat. 5. Permukaan bersifat sangat reaktif dan mudah teroksidasi.
5. Permukaan bersifat sangat reaktif dan mudah teroksidasi.
6. Perhatian perlu diberikan ketika menyimpan logam partikel nano karena bisa terjadi 6. Perhatian perlu diberikan ketika menyimpan logam partikel nano karena bisa terjadi ledakan.
ledakan.
2. Efek Ukuran 2. Efek Ukuran
Dalam skala nanometer, sifat baru dan fenomena unik dari bahan akan muncul. Hal ini Dalam skala nanometer, sifat baru dan fenomena unik dari bahan akan muncul. Hal ini
diakibatkan karena ukuran dari nanomaterial menjadi komparabel dengan banyak parameter diakibatkan karena ukuran dari nanomaterial menjadi komparabel dengan banyak parameter fisis seperti ukuran gelombang kuantum,
fisis seperti ukuran gelombang kuantum, mean free pathmean free path, ukuran koherensi, dan domain, ukuran koherensi, dan domain dimensi yang kesemuanya menentukan sifat – sifat dari material. Dalam ilustrasi dibawah ini dimensi yang kesemuanya menentukan sifat – sifat dari material. Dalam ilustrasi dibawah ini digambarkan perubahan suhu leleh dari logam emas yang merupakan fungsi dari ukuran digambarkan perubahan suhu leleh dari logam emas yang merupakan fungsi dari ukuran partikelnya.
3. Efek Kuantum 3. Efek Kuantum
Efek kuantum dapat dijelaskan dengan
Efek kuantum dapat dijelaskan dengan Teori Kubo, yang dideskripsikan dengan persamaanTeori Kubo, yang dideskripsikan dengan persamaan berikut.
berikut.
Ketika perbedaan energi (delta E) lebih besar dari nilai k.T (maksimal internal energi dari 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 sistem), maka akan banyak sifat yang ada pada bulk material yang hilang dan digantikan dengan sifat yang unik.
dengan sifat yang unik.
Pita energi yang kontinyu tergantikan oleh energi level yang terpisah jika ukuran partikel 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. mendekati radius Bohr dari elektron dalam padatan hal ini dikenal dengan efek kuantum. Untuk nanomaterial, energi bandgap sangat
Untuk nanomaterial, energi bandgap sangat sensitif terhadap morfologinya (ukuran, bentuk,sensitif terhadap morfologinya (ukuran, bentuk, defek) dan dari
defek) dan dari distribusi komposisinya. Dibawah ini diilustrasikan perubahan sifat optikaldistribusi komposisinya. Dibawah ini diilustrasikan perubahan sifat optikal dari emas disebabkan perubahan ukuran.
Karakteristik Nanomaterial 2
Karakteristik Nanomaterial 2
Dalam pembahasan karakteristik nanopartikel awal telah disebutkan beberapa efek kunci Dalam pembahasan karakteristik nanopartikel awal telah disebutkan beberapa efek kunci yang terjadi pada reduksi ukuran benda sampai ke skala nano yaitu: efek permukaan, efek 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 ukuran dan efek kuantum. Kombinasi dari efek – efek tersebut menimbulkan munculnya sifat fisis yang berbeda dari sifat yang dimiliki oleh
fisis yang berbeda dari sifat yang dimiliki oleh bulk bulk materialnya. Beberapa perubahan akanmaterialnya. Beberapa perubahan akan dicontohkan dibawah ini.
dicontohkan dibawah ini.
1. Perubahan struktur kristal. 1. Perubahan struktur kristal.
Misalkan pada senyawa Tantalum. Pada kondisi bulk Ta memiliki struktur kristal kubik, 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 namun ketika ukuran diperkecil maka struktur kristal beralih ke tetragonal. Hal ini dibuktikan oleh hasil analisa menggunakan XRD seperti pada gambar dibawah ini.
oleh hasil analisa menggunakan XRD seperti pada gambar dibawah ini.
2. Sifat termal 2. Sifat termal
Secara umum nanomaterial memiliki titik lebur yang lebih rendah dan panas spesifik yang Secara umum nanomaterial memiliki titik lebur yang lebih rendah dan panas spesifik yang lebih tinggi dibanding sifat
lebih tinggi dibanding sifat bulk bulk -nya. Kemudian reduksi ukuran ke skala nano akan-nya. Kemudian reduksi ukuran ke skala nano akan menurunkan suhu sintering dan suhu pengkristalan dikarenakan kandungan energi menurunkan suhu sintering dan suhu pengkristalan dikarenakan kandungan energi permukaannya yang tinggi.
3. Sifat Mekanik 3. Sifat Mekanik
Kekerasan dan kekuatan dari bahan logam dan aloy berukuran nano dapat meningkat sampai Kekerasan dan kekuatan dari bahan logam dan aloy berukuran nano dapat meningkat sampai dengan satu order diatas ukuran normalnya. Ketika bahan keramik direduksi sampai skala dengan satu order diatas ukuran normalnya. Ketika bahan keramik direduksi sampai skala nano sifat duktilitasnya meningkat sangat
4. Sifat Listrik 4. Sifat Listrik
Sifat konduktivitas cenderung mengalami pembalikan ketika terjadi reduksi ukuran. Sifat konduktivitas cenderung mengalami pembalikan ketika terjadi reduksi ukuran.
Nanokeramik dan nanokomposit memiliki kecenderungan menghantarkan listrik, sedangkan Nanokeramik dan nanokomposit memiliki kecenderungan menghantarkan listrik, sedangkan nanologam menjadi bersifat isolator. Contohnya Cu nanopartikel bersifat isolator sedangkan nanologam menjadi bersifat isolator. Contohnya Cu nanopartikel bersifat isolator sedangkan SiO2 nanopartikel bersifat penghantar listrik yang baik.
SiO2 nanopartikel bersifat penghantar listrik yang baik. 5. Sifat katalisis
5. Sifat katalisis
Nanomaterial cenderung memiliki aktivitas katalisis yang lebih baik. Hal ini disebabkan luas Nanomaterial cenderung memiliki aktivitas katalisis yang lebih baik. Hal ini disebabkan luas permukaan yang bertambah dan atom
permukaan yang bertambah dan atom diujung – ujung permukaan semakin banyak diujung – ujung permukaan semakin banyak
mengakibatkan bertambahnya reaktivitas dari bahan. Dibawah ini dicontohkan data aktivitas mengakibatkan bertambahnya reaktivitas dari bahan. Dibawah ini dicontohkan data aktivitas dari logam emas untuk mengkatalis
dari logam emas untuk mengkatalis oksidasi CO dengan semakin mengecilnya ukuranoksidasi CO dengan semakin mengecilnya ukuran partikel.
partikel.
Masih beberapa sifat – sifat yang lain yang mengalami perubahan atau peningkatan misalnya Masih beberapa sifat – sifat yang lain yang mengalami perubahan atau peningkatan misalnya sifat kemagnetan, sifat optis dan difusi permukaan.
