Mengenal Lebih Dekat Dunia Nano di Era Nano Teknologi

Oleh: Elok Fidiani, Ph.D (Dosen Program Studi Fisika UNPAR)

Nanoteknologi menjadi semakin familiar dengan keseharian kita dalam beberapa tahun terakhir. Rangkaian kata “menggunakan teknologi nano” banyak kita temukan pada kemasan produk-produk di sekitar kita mulai dari elektronik, obat-obatan hingga kecantikan. Namun, apa sih sebenarnya nanoteknologi atau teknologi nano? Sudah pahamkah kita dengan istilah tersebut?

Secara sederhananya, teknologi nano merupakan teknologi yang berbasis pada rekayasa material dalam skala nanometer (1-100 x 10-9 meter). Konsep teknologi nano pertama kali diperkenalkan oleh fisikawan Richard Feynman pada tahun 1959 melalui presentasinya yang berjudul “There’s Plenty of Room at the Bottom1. Feynman mencetuskan idenya tentang kemungkinan merekayasa dan mengontrol materi yang sangat kecil untuk membuat mesin yang berukuran sekelas molekul. Pada masanya ide-ide Feynman hanya dianggap sebagai sebuah lelucon, yang kemudian dideskripsikan dalam bukunya berjudul “Surely You’re Joking, Mr. Feynman”. Hingga kurang lebih 20 tahun kemudian, Erix Drexler secara lebih spesifik menjelaskan konsep konstruksi sebuah mesin yang sangat kecil dari himpunan atom-atom. Dexler juga secara independen menggunakan istilah nanoteknologi dalam bukunya ”Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology2.

Seiring dengan perkembangan dunia optik dan mikroskopi, realisasi teori dan konsep nanoteknologi semakin terlihat jelas secara praktikal. Penemuan Scanning Tunneling Microscope (STM) oleh fisikawan Gerd Binnig and Heinrich Rohrer (IBM Zurich Research Laboratory) pada tahun 1981 membuka era baru dunia nanoteknologi 3. STM tidak hanya mampu memetakan permukaan material dalam skala nanometer, tapi juga memungkinkan manipulasi atom dan molekul untuk menyusun struktur materi 4.  Sejak saat itu, bidang ilmu nanoscience menarik perhatian para ilmuan dan berkembang cukup pesat hingga saat ini.

Dalam dunia nano, hukum fisika yang berlaku secara umum tidak lagi sama dengan yang kita rasakan sehari hari. Dunia nano mengikuti aturan fisika kuantum. Dengan mengecilnya ukuran sebuah material menjadi berskala nanometer, sifat dan karakteristiknya pun berubah. Misal, karbon dalam wujud grafit yang sering kita temukan pada pensil memiliki karakteristik yang tidak keras dan mudah sekali patah. Namun, saat karbon dibuat menjadi nanomaterial seperti carbon nanotube (CNT), sifat mekanisnya berubah menjadi sangat kuat melebihi baja, namun lebih ringan dan memiliki elastisitas yang tinggi 5,6. Karena itu, saat ini CNT banyak digunakan sebagai campuran dalam pembuatan beton dan juga serat polimer 7. Selain itu, CNT juga bisa bersifat metalik ataupun semikonduktor bergantung pada struktur dan ukurannya 8. Transistor CNT pertama kali berhasil dibuat pada tahun 1998, kurang lebih 7 tahun sejak pertama kali CNT ditemukan oleh Iijima 9,10. Hingga saat ini penelitian tentang material nano berbasis karbon terus dilakukan dan diproyeksikan akan menjadi masa depan industri elektronik dalam beberapa tahun mendatang.

Bermula dari karbon, studi tentang material nano terus berkembang pada material-material lain baik itu material organik maupun anorganik. Rekayasa material organik seperti partikel nano (nanoparticle) berbasis lipid banyak diaplikasikan untuk bidang kedokteran khususnya untuk pengobatan kanker 11. Sedangkan partikel nano berbasis material anorganik seperti besi (Fe) dan emas (Au) juga sudah banyak diteliti dan diuji keefektifannya baik itu untuk diagnosa maupun terapi sel kanker 12,13. Keunikan sifat dan karakteristik material dalam skala nanometer telah membuka era baru dalam perkembangan teknologi. Nanoteknologi tidak hanya membuat terobosan yang impresif dalam perkembangan industri elektronik dan kedokteran tapi juga bidang lain seperti energi terbarukan.

Progres yang signifikan dalam perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi nano menjadi terobosan besar dalam bidang katalisis yang dimanfaatkan pada pengembangan energi terbarukan berbasis hidrogen dan fuel cell. Katalis dalam fuel cell sangatlah krusial untuk mempercepat reaksi dalam mengubah energi kimia yang tersimpan dalam hidrogen menjadi energi listrik. Rekayasa material nano diimplementasikan untuk mengoptimalkan properti katalis dengan memperluas permukaan dan menyusun struktur katalis yang lebih atraktif 14. Platinum (Pt) yang digunakan sebagai katalis sejak teknologi fuel cell ditemukan pada tahun tahun 1939, kini telah berevolusi menjadi PtCo alloy nanoparticles yang digunakan dalam mobil berbasis hidrogen Toyota Mirai 15. Sentuhan nanoteknologi juga sudah merambah pada teknik penyimpanan hidrogen sehingga menjadi lebih ringan. Selain fuel cell, teknologi baterai juga cukup krusial dalam pengembangan bidang energi terbarukan yang ramah lingkungan. Dalam beberapa tahun terakhir, fokus utama riset baterai ditekankan pada eksplorasi dan optimasi luas permukaan material untuk meningkatkan kapasitansi elektroda. Penggunaan LiFePO2 nanostructure pada katoda baterai lithium telah terbukti efektif tidak hanya untuk meningkatkan daya baterai tapi juga ketahanan dan safety 16.

Salah satu karakteristik material nano yang menonjol adalah besarnya luas permukaan dibandingkan material berskala makroskopis (bulk material) yang berukuran mikro – milimeter. Bila kita membayangkan 1 kotak gula berbentuk kubus berukuran 1 mm3, kemudian kita memotong-motongnya menjadi kubus-kubus kecil lagi, maka area permukaannya akan bertambah. Artinya, dengan massa dan total volume yang sama, kita akan membuat luas permukaan suatu material bertambah dengan merekonstruksi menjadi material yang lebih kecil. Hal tersebut menggambarkan analogi kenapa material dalam ukuran nanometer sangat reaktif. Karena semua reaksi material dengan lingkungan itu terjadi pada permukaannya. Contohnya, bila kita mengamati cincin emas yang sudah bertahun-tahun berada di jari kita, bentuk dan warnanya tidak berubah atau berkarat walaupun tangan kita sering kali terkena air ataupun keringat. Dari situ kita bisa tau bahwa emas cukup stabil dan tidak mudah bereaksi dengan apa pun di sekitarnya. Namun, emas dalam ukuran nanometer (Au NPs) sangat reaktif dan sering digunakan sebagai katalis untuk mempercepat suatu reaksi kimia 17.

Saat kita membicarakan nanoteknologi, kita membahas interdisiplin bidang ilmu sains murni dan terapan. Secara konseptual, ilmu fisika kuantum dapat menjelaskan dan memprediksi fenomena-fenomena yang terjadi dalam skala nano, namun konsep konstruksi dan interaksi antara material atau molekul, serta proses sintesis material nano dipelajari dalam ilmu kimia. Karena itu pada awalnya nanoteknologi dikategorikan dalam bidang physical-chemistry. Seiring dengan perkembangannya, aplikasi nanoteknologi semakin meluas hampir di semua bidang ilmu sehingga menuntut penguasaan multi-disiplin ilmu khususnya dalam bidang fisika, kimia, biologi, material dan teknik. Sebagaimana di Program Studi Fisika UNPAR, mata kuliah terkait nanoteknologi dibuka tidak hanya untuk mahasiswa Program Studi Fisika, tapi juga terbuka bagi siswa-siswa Prodi Teknik. Penelitian di bidang nanoteknologi khususnya dalam bidang katalis dan energi terbarukan juga mulai dirintis dengan melakukan kolaborasi antar jurusan dan fakultas di UNPAR serta antar institusi baik di dalam dan di luar negeri.

Meskipun nanoteknologi masih tergolong bidang baru di Indonesia, namun bisa dikatakan bidang ini mulai berkembang ke arah positif, karena potensinya yang cukup menjanjikan dan area risetnya yang cukup luas. Hal ini ditandai dengan semakin banyaknya publikasi dari berbagai institusi di Indonesia dalam bidang nanoteknologi baik di jurnal nasional maupun internasional. Dengan adanya program kampus merdeka, diharapkan menjadi angin segar untuk memperluas jaringan kolaborasi dari berbagai disiplin ilmu dan institusi sehingga bisa semakin memajukan bidang nanoteknologi di Indonesia.

Referensi

  1. Feynman, R. . There’s plenty of room at the bottom. in Feynman and Computation (ed. Hey, A.) 22–36 (CRC Press, 2018).
  2. Drexler, E. Engines of Creation. (1986).
  3. Binning, G., Rohrer, H., Gerber, C. & Weibel, E. Surface studies by scanning tunneling microscopy. Phys. Rev. Lett. 49, 57–61 (1982).
  4. Eigler, D. M. & Schweizer, E. K. Positioning single atoms with a scanning tunnelling microscope. Nature 344, 524–526 (1990).
  5. Coleman, J. N., Khan, U., Blau, W. J. & Gun’ko, Y. K. Small but strong: A review of the mechanical properties of carbon nanotube-polymer composites. Carbon vol. 44 1624–1652 (2006).
  6. Takakura, A. et al. Strength of carbon nanotubes depends on their chemical structures. Nat. Commun. 10, 1–7 (2019).
  7. Tastani, S. P., Konsta-Gdoutos, M. S., Pantazopoulou, S. J. & Balopoulos, V. The effect of carbon nanotubes and polypropylene fibers on bond of reinforcing bars in strain resilient cementitious composites. Front. Struct. Civ. Eng. 10, 214–223 (2016).
  8. Popov, V. N. Carbon nanotubes: Properties and application. Materials Science and Engineering R: Reports vol. 43 61–102 (2004).
  9. Iijima, S. Helical microtubules of graphitic carbon. Nature 354, 56–58 (1991).
  10. Martel, R., Schmidt, T., Shea, H. R., Hertel, T. & Avouris, P. Single- and multi-wall carbon nanotube field-effect transistors. Appl. Phys. Lett. 73, 2447–2449 (1998).
  11. Mitchell, M. J. et al. Engineering precision nanoparticles for drug delivery. Nature Reviews Drug Discovery vol. 20 101–124 (2021).
  12. Singh, P. et al. Gold nanoparticles in diagnostics and therapeutics for human cancer. Int. J. Mol. Sci. 19, (2018).
  13. Anselmo, A. C. & Mitragotri, S. Nanoparticles in the clinic: An update. Bioeng. Transl. Med. 4, (2019).
  14. Stacy, J., Regmi, Y. N., Leonard, B. & Fan, M. The recent progress and future of oxygen reduction reaction catalysis: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews vol. 69 401–414 (2017).
  15. Yoshida, T. & Kojima, K. Toyota MIRAI fuel cell vehicle and progress toward a future hydrogen society. Electrochem. Soc. Interface 24, 45–49 (2015).
  16. Lu, J. et al. The role of nanotechnology in the development of battery materials for electric vehicles. Nature Nanotechnology vol. 11 1031–1038 (2016).
  17. Haruta, M. When gold is not noble: Catalysis by nanoparticles. Chem. Rec. 3, 75–87 (2003).