NANOTECHNOLOGY
Dunia tak kasat mata yang sedang
mengubah peradaban manusia
Oleh: Iswadi Ibrahim Patunrengi, Ph.D
Pernahkah kita
membayangkan sebuah material yang ukurannya ribuan kali lebih kecil dari rambut
manusia, tetapi justru memiliki kemampuan luar biasa? Material yang sangat
kecil ini mampu menghantarkan obat langsung ke sel kanker, membuat layar gadget
menjadi lebih tajam, hingga membantu menciptakan energi yang lebih efisien.
Dunia kecil itulah yang dipelajari dalam nanoteknologi. Mari kita mengenalnya
dengan bahasa yang mudah dicerna.
Apa itu nanotechnology
dan istilah-istilah yang berkaitan dengannya?
Istilah nano berasal
dari bahasa Yunani nanos yang
berarti “kerdil” atau sangat kecil. Dalam dunia sains, nano merujuk pada ukuran
sepermiliar meter. Artinya, satu nanometer (1 nm) sama dengan 10?? meter. Sulit
dibayangkan? Coba bandingkan dengan rambut manusia yang diameternya sekitar
50.000–100.000 nanometer. Jadi, ukuran nano benar-benar berada pada level atom
dan molekul. Atua Bayangkan mata yang hanya mampu membelah 2 goresan terkecil
pada mistar (0,1 mm) maka diperlukan mata dengan kemampuan 10.000 kali lebih
tajam untuk melihat material ini pada ukuran 100 nm.
Nanoteknologi sendiri dapat dipahami sebagai
ilmu dan teknologi yang memanipulasi atom serta molekul untuk menciptakan
material atau perangkat baru dengan sifat yang unik. Bidang ini berkembang sangat
pesat karena pada ukuran nano, suatu material bisa memiliki sifat yang berbeda
dibandingkan ketika ukurannya besar atau biasa kita lihat sehari-hari.
Menariknya, nanoteknologi bukan hanya milik
satu cabang ilmu saja. Bidang ini merupakan perpaduan banyak disiplin ilmu
seperti kimia, fisika, biologi, teknik, ilmu material, hingga ilmu komputer.
Karena itulah nanoteknologi sering disebut sebagai bidang sains yang sangat
multi disiplin ilmu atau interdisipliner.
Istilah-Istilah Penting dalam Nanoteknologi
Dalam dunia nano, ada banyak istilah yang sering digunakan. Salah satu yang paling umum adalah nanomaterial. Nanomaterial adalah material yang memiliki setidaknya satu dimensi berukuran antara 1–100 nanometer. Karena ukurannya sangat kecil, material ini menunjukkan sifat yang berbeda dari material biasa. Misalnya, emas dalam bentuk batangan berwarna kuning mengilap, tetapi ketika dibuat menjadi nanopartikel emas, warnanya bisa berubah menjadi merah keunguan. Berikut beberapa istilah yang sering ditemukan dalam istilah nanotechnolog [1]-[7]
Istilah Dasar
Nanomaterial material dengan minimal satu dimensi berukuran 1–100 nm
Nano-sains ilmu yang
mempelajari fenomena pada skala nano
Nanoteknologi penerapan
nano-sains dalam kehidupan nyata
Nano objek objek
dengan satu/dua/tiga dimensi skala nano
Nanopartikel partikel nano dengan semua dimensinya 1–100 nm
Pic.1 Ilustrasi perbandinganukuran objek hingga skala nano [1].
Bentuk dan Struktur Nano
Nanostruktur susunan material pada skala nano
Nanotube tabung nano, contoh: Carbon nanotubes
Nanorod / Nanowire bentuk
batang atau kawat nano
Quantum dots nanopartikel semikonduktor dengan warna tergantung ukuran
Graphene lembaran karbon 2D yang sangat kuat dan
konduktif
Fenomena Khas Nano
Quantum confinement sifat
elektronik berubah karena ukuran kecil
Surface-to-volume ratio luas
permukaan sangat besar dibanding volume
Surface Plasmon Resonance (SPR) interaksi
cahaya dengan elektron (Au, Ag)
Brownian motion gerakan
acak partikel dalam fluida
Aggregate kumpulan nanopartikel yang terikat kuat (biasanya secara kimia atau
sintering) sehingga sulit atau tidak dapat dipisahkan kembali
menjadi partikel individu.
Agglomerate kumpulan nanopartikel yang terikat lemah (misalnya oleh gaya van der
Waals) sehingga masih dapat dipisahkan kembali menjadi
partikel individu.
Pic.2 IlustrasiAgregat dan Agglomerat, partikel SiO2 [8].
Seberapa besar nano itu?
Satu
milliar dari 1-meter atau 1 juta dari satu millimeter.
1 nm = 10-9 m = 10-6 mm = 10-3 µm.
Perbandingan:
Atom 1 Amstrong = 0.1 nm
10 atom H = 1 nm
DNA double-helix 2 nm (diameter)
Rambut manusia 50 – 100 µm = 50.000-100.000 nm
1 lembar kertas HVS 100.000 nm (tebal)
Pic.3 Rasio peningkatan eksponensial luas permukaan terhadap volume[1].
Bayangkan kotak berukuran satu kubik (1 m3) memiliki luar permukaan 6 m2, namun ketika di degradari dalam bentuk kubus 1nm maka luar permukaan totalnya menjadi 10.000 m2, satu Hektar. Berapa banyak reaksi yang bisa terjadi pada luas permukaan tersebut.
Apa yang spesial atau apa yang berubah dari Material nano?
Ukuran dan bentuk
Luas permukaan meningkat tajam
Muatan Permukaan
Porositas permukaan meningkat
Komposisi Kimia dan Reaktivitas kimia meningkat
Struktur kristal berubah
Inilah alasan kenapa nanopartikel sering lebih reaktif, lebih kuat, atau punya sifat optik unik dibanding material biasa
Bagaimana Histori singkatnya?
Abad
ke-4, cangkir raja lygurcus, terbuat dari soda lime glass (Au dan Ag)
nanopartikel. Berwarna hijau saat memantulkan cahaya (reflected light) dan
merah saat cahaya menembusnya (Transmitted light).
Abad ke-4, pedang Damaskus (Damascus sword), pembuatannya melibatkan CNTs dan besi karbid (Fe3C) nanowire, membuatnya sangat tajam dan keras. 1857, Michael Faraday: menjelaskan asal warna jendela kaca dari keberadaan nanopartikel logam. Dia menyiapkan experiment nanopartikel emas berwarna merah (Royal society, London).
Pic. 6 Emas dalam ukuran batangan, mikro dan nano (https://ninithi.wordpress.com/nanoscale-why-size-matter/)
1908, G. Mie: Mie theory, menjelaskan variasi warna kaca dengan ukuran partikel logam yang tersebar di dalam kaca.
1959,
Richard Feynman, ide
nanotechnology “There’s plenty of room at the bottom.
1965, G.E Moore: membuat ramalan yang
menakjubkan: jumlah transistor pada chip dengan luas tertentu akan berlipat
ganda setiap 1,5 tahun, yaitu dimensi ukuran transistor berkurang dua kali
lipat setiap 1,5 tahun. rediksinya menunjukkan bahwa transistor saat ini akan
berada dalam rezim nano dan sudah terjadi.
1974, Nurio Taniguchi: memperkenalkan nama nanotechnology untuk ertama kalinya.
1980, K.E Drexter: mempublikasikan buku tentang nanotecnology untuk pertama kalinya dengan judul: Engines of Creation: The coming Era of Nanotechnology.
1991, Sumio Ijima: menemukan carbon nanotube (CNTs).
2004, A. Giem & K. Novoselov: menemukan Graphene (nobel prize 2010).
2016, Nobel Kimia (Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart, and Bernard Feringa): atas ide inovatif mengubah molekul menjadi mesin.
Jenis atau type nanomaterial Seperti apa?
Nanomaterial dapat dilihat berdasarkan komposisi kimianya atau dimensi material nanonya.
Komposisi
Kimianya (chemical composition)
Organik (Organic-based), Misal: Liposom, dendrimer, albumin NPS,
Curcumin NPs.
Anorganik (Inorganic-based), Misal: AuNPs, AgNPs
Karbon (Carbon-based), Misal: CNTs, Graphena, fullurene.
Campuran (Composite-based), Misal AuNPs-Polymer, Au-AgTiO2-Ag.
Dimensinya
(dimensionality)
0D (Quantum dot, Fulurene, AuNPs)
1D (SWCNT, MWCNT, Nanowire)
2D (Graphene, Mxenes, h-BN)
3D (Bulk NPS, polycrystal, liposom, dendimers).
Pic. 7 Klasifikasi nanomaterial
Bagaimana bisa bekerja dalam skala
nano?
Untuk melihat
nanomaterial maka para saintis membuat dan mengembangkan microscop elektron
yang digunakan untuk melihat dan memodifikasi material tersebut. Berbagai jenis
tools tersebut diantaranya adalah
SEM
(scanning electron microscope): melihat morfologi permukaan.
TEM
(transmission electron microscope): melihat struktur nano secara detail.
AFM
(Atomic force microscope)
XRD:
Analisis struktur kristal
Bagaimana Fabrikasi nanomaterial?
Dalam pembuatannya, nanomaterial dapat difabrikasi melalui dua
pendekatan utama. Pendekatan pertama disebut top-down, yaitu memperkecil
material besar menjadi ukuran nano. Pendekatan kedua adalah bottom-up,
yaitu menyusun atom dan molekul menjadi struktur nano.
Top
down (macro ke nano): dipotong/dihancurkan
Bottom up (nanoke macro): self-assembly, sintesis kimia
Pic.8Top down dan Bottom up Fabrikasi nanomaterial [10].
Apa aplikasi dari nanotechnology?
Nanotechnology
dapat diaplikasikan dalam berbagai bidang diantaranya
Medis drug delivery, terapi kanker
Energi solar cell, baterai
Lingkungan enjernihan air
Elektronik chip lebih kecil & cepat
Kosmetik sunscreen berbasis nanopartikel
Atau dapat
dilihat pada gambar berikut:
Pic.9 Bidang pemanfaatan nanoteknologi [10].
Yang menarik, dunia nano sebenarnya tidak sepenuhnya buatan
manusia. Alam sudah lama menggunakan konsep nano secara alami, mulai dari
struktur daun, protein dalam tubuh, hingga warna sayap kupu-kupu. Manusia hanya
belajar memahami dan meniru kehebatan alam tersebut melalui nanoteknologi.
Bagian ini akan kita bahas pada artikel berikutnya
insya Allah.
Wallahu a’lam
Referensi
Tulisan ini dibuat dengan menggunakan berbagai sumber seperti buku, jurnal dan web. Diantaranya disajikan dibawah. Jika ada pertanyaan dapat menghubungi penulis.
[1] N. Kumar and S. Kumbhat, Essentials in Nanoscience and Nanotechnology. 2021. doi: 10.1016/B978-0-12-819726-4.00098-3.
[2] T.
Kodanek, S. S. Paradinas, F. Lübkemann, D. Dorfs, and N. C. Bigall, Fundamentals
of nanotechnology. 2017. doi: 10.1201/9781315196602.
[3] Wesley
C. Sanders, Principles of Nanotechnology. 2012. doi: 10.1201/b13061-5.
[4] M.
Bououdina and J. P. Davim, Handbook of research on nanoscience,
nanotechnology, and advanced materials. 2014. doi: 10.4018/978-1-4666-5824-0.
[5] S.
M. LINDSAY, “Introduction to Nanoscience,” Oxford Univ. Press, vol. 4,
no. 1, pp. 10–27, 2018.
[6] R.
K. Goyal, Nanomaterials and Nanocomposites. 2017. doi:
10.1201/9781315153285.
[7] H.
Haick, “Nanotechnology and Nanosensors,” pp. 11–35, 2013.
[8] C.
Dazon, C. Taviot-gue, V. Pre, C. Taviot-gue, and C. Taviot-gue, “Materials
Advances Layered double hydroxides?: where should research stress on for
massive scaling up??,” pp. 4637–4645, 2023, doi: 10.1039/d3ma00478c.
[9] M.
Jeyaraj, S. Gurunathan, M. Qasim, M. Kang, and J. Kim, “A Comprehensive Review
on the Synthesis , Characterization , and Biomedical Application of Platinum
Nanoparticles,” 2019.
[10] S. Gorai, “Introduction to Nanomaterials and nanotechnology,” 2019.