MAKALAH NANOMATERIAL

BAB I

PENDAHULUAN

Pengembangan nanoteknologi atau teknologi rekayasa zat bersekala nanometer belumlah tergolong lama. Orang yang pertama kali menciptakan istilah “nanoteknologi” adalah Profesor Nario Taniguchi dari Tokyo Science University pada tahun 1940. Ia mulai mempelajari mekanisme pembuatan nanomaterial dari kristal kuarts, silikon dan keramik alumina dengan menggunakan mesin ultrasonik. Komersialisasi (potensi penerapan nanoteknologi sesungguhnya tidak hanya pada piranti mikroelektronik saja tetapi juga pada berbagai industri membuka peluang aplikasi bahan dan teknologi nano di berbagai bidang, yakni pada produk makanan, kemasan, mainan anak, peralaatan rumah / kebun, kesehatan, kebugaran, obat-obatan, tekstil, keramik dan kosmetik.

Material berskala nano merupakan material yang sangat atraktif kerena memiliki sifat-sifat yang sangat berbeda dibandingkan dengan yang diperlihatkan pada skala makroskopisnya. Terdapat berbagai fenomena quantum atraktif yang timbul sebagai akibat pengecilan ukuran material hingga ke dimensi nano. Logam platina meruah yang dikenal sebagai material inert dapat berubah menjadi material katalitik jika ukurannya diperkecil mencapai skala nano. Material stabil, seperti aluminium, menjadi mudah terbakar, bahan-bahan isolator berubah menjadi konduktor (Karna, 2010). Sehingga dengan nanoteknolgi maka setiap bahan atau material akan memungkinkan pengurangan berat disertai dengan peningkatan stabilitas dan meningkatkan fungsionalitas.

BAB II

PEMBAHASAN

Nanomaterial adalah bidang ilmu material dengan pendekatan berbasis Nanoteknologi. Nanoteknologi adalah pembuatan dan penggunaan materi atau devais pada ukuran sangat kecil. Materi atau devais ini berukuran antara (1 – 100) nanometer. Satu nm sama dengan satu-per-milyar meter (0.000000001 m), yang berarti 50.000 lebih kecil dari ukuran rambut manusia. Ukuran (1 – 100) nm ini disebut juga dengan skala nano (nanoscale). Jadi, dapat disimpulkan bahwa nanomaterial itu adalah bahan atau material yg berukuran sangat kecil (skala nano) yaitu 1-100 nm. Teknologi nano meliputi pencitraan, pemodelaan, pengukuran, fabrikasi dan memanipulasi sesuatu pada skala nano.

Sintesa Nanomaterial

Pembuatan nanomaterial dapat dilakukan dengan menggunakan dua pendekatan, yaitu pendekatan top-down dan bottom-up.

1) Top down

Dalam pendekatan top-down, pertama bulk material dihancurkan dan dihaluskan sedemikian rupa sampai berukuran nano meter. Pendekatan top-down dapat dilakukan dengan teknik MA-PM (mechanical alloying-powder metallurgy) dan atau MM-PM (mechanical milling-powder metallurgy), Dalam mekanisme mechanical alloying, material dihancurkan hingga menjadi bubuk dan dilanjutkan dengan penghalusan butiran partikelnya sampai berukuran puluhan nanometer. Kemudian, bubuk yang telah halus disinter hingga didapatkan material final. Contohnya nano baja diperoleh dari penghalusan bubuk besi dan karbon hingga berukuran 30 nm, dan disinter pada suhu 723°C pada tekanan 41 Mpa dalam suasana gas nitrogen.

Teknik MM-PM (mechanical alloying-powder metallurgy) ini dapat dilakukan dengan :

a) Ball milling

Teknologi ball milling yaitu menggunakan energi tumbukan antara bola-bola penghancur dann dinding wadahnya. Untuk mendapatkan partikel nano dalam jumlah banyak dan dalam waktu relatif pendek, dilakukan inovasi pada mesin ball mill, dengan merubah putaran mill menjadi berlintasan planet (planetary) di dalam wadahnya yang memiliki tuas pada kedua sisi, untuk mengatur sudut putaran yang optimal. Dan distabilisasi dengan meng-gunakan larutan kimia seperti  polyvinyl alcohol (PVA) atau  polyethilene glycol (PEG)  sehingga membentuk nanokoloid yang stabil (Fahlefi, 2010)

b) Ultrasonic milling atau sonikasi

Prosesnya dengan cara menggunakan gelombang ultrasonik dengan rentang frekuensi 20 kHz – 10 MHz. Gelombang ultrasonik ditembakkan ke dalam mediium cair untuk menghasilkan kavitasi bubble yang dapat membuat partikel memiliki diameter dalam skala nano. Gelombang ultrasonik bila berada di dalam medium cair akan dapat menimbulkan acoustic cavitation. Selama proses cavitation akan terjadi bubble collapse (ketidakstabilan gelembung), yaitu pecahnya gelombang akibat suara. Akibatnya akan terjadi peristiwa hotspot yang melibatkan energi yang sangat tinggi. Dimana hotspot adalah pemanasan lokal yang sangatintens sekitar 5000 K pada tekanan sekitar 1000 atm, laju pemanasan dan pendinginannya sekitar 1010 K/s

2) Bottom up

Dalam pendekatan bottom-up, material dibuat dengan menyusun dan mengontrol atom demi atom atau molekul demi molekul sehingga menjadi suatu bahan yang memenuhi suatu fungsi tertentu yang diinginkan. Sintesa nanomaterial dilaku-kan dengan mereaksikan berbagai larutan kimia dengan langkah-langkah tertentu yang spesifik sehingga terjadi suatu proses nukleasi yang meng-hasilkan nukleus-nukleus sebagai kandidat nanpar-tikel setelah melalui proses pertumbuhan. Laju pertumbuhan nukleus dikendalikan sehingga menghasilkan nanopartikel dengan distribusi uku-ran yang relatif homogen (Gambar 1).

Pembentukan nanomaterial logam koloid secara bottom up (Kumar, 2005)

Paduan logam organik didekomposisi (di-reduksi) secara terkontrol sehingga ikatan logam dan ligannya terpisah. Ion-ion logam hasil posisi bernukleasi membentuk nukleus-nukleus yang stabil, yang dibangkitkan baik dengan meng-gunakan katalis maupun melalui proses tumbukan. Selanjutnya nukleus-nukleus stabil tersebut ber-tumbuh membentuk nanopartikel. Untuk menghindari proses aglomerasi antara nanopartikel-nanopartikel yang ada, lang-kah stabilisasi dilakukan dengan menggunakan larutan separator.

Pendekatan bottom up ini dapat dilakukan dengan:

a) Dekomposisi termal

1. Evaporasi

Dekomposisi lapisan tipis dengan cara penguapan dan pengembunan yang dilakukan di ruang vakum.

2. Sputtering

Proses sputering adalah proses dengan cara penembakan bahan pelapis atau target dengan ion-ion berenergi tinggi sehingga terjadi pertukaran momentum. Proses sputtering mulai terjadi ketika dihasilkan lucutan listrik dan gas sputer secara listrik menjadi konduktif karena mengalami ionisasi.

3. CVD (Chemical Vapour Deposition)

Merupakan proses yang didasarkan pada hidrolisis dan polikondensasi dari prekusor yang dibentuk melalui metode dip coating atau spin coating.

4. MOCVD

Merupakan teknik deposisi uap kimia dengan metode pertumbuhan epitaksi pada material. Misalnya material semikonduktor yang berasal dari material metalorganik dan hidrida logam.

Pembagian nano

a. Nol dimensi        : Nanopartikel (oksida logam, semikonduktor, fullerenes)

b. Satu dimensi      : Nanotubes, nanorods, nanowires

c. Dua dimensi       : Thin films (multilayer, monolayer, self-assembled, mesoporous)

d. Tiga dimensi      : Nanokomposit, nanograined, mikroporous, mesoporous, interkalasi, organik  dan anorganik hybrids.

Karakterisasi

Terdapat beberapa macam alat untuk mengkarakterisasi material yang berukuran nanometer. Mikroskop cahaya tidak dapat digunakan untuk mengkarakterisasi material yang berukuran nanometer. Hal ini dikarenakan panjang gelombang cahaya tampak yang digunakan pada mikroskop cahaya memiliki panjang gelombang yang lebih besar daripada dimensi sistem yang diamati. Seperti yang diketahui bahwa panjang gelombang cahaya tampak sekitar 400-700 nm. Oleh karena itu, mikroskop cahaya tidak bisa mengamati sistem yang berukuran nanometer (Lia.et.al, 2010).

1. SEM

Mikroskop elektron merupakan alat yang menggunakan sinar elektron berenergi tinggi untuk menguji objek yang berukuran sangat kecil. Pengujian ini dapat memperoleh informasi mengenai topografi, morfologi, komposisi dan kristalografi. SEM adalah salah satu tipe mikroskop elektron yang mampu menghasilkan resolusi tinggi dari gambaran suatu permukaan sampel.

2. XRD

Difraksi Sinar X merupakan teknik yang digunakan dalam karakteristik material untuk mendapatkan informasi tentang ukuran atom dari material kristal maupun nonkristal. Difraksi tergantung pada struktur kristal dan panjang gelombangnya. Metode difraksi sinar X digunakan untuk mengetahui struktur dari lapisan tipis yang terbentuk.

3. STM

Scanning Tunneling Mikroscopies (STM) merupakan mikroskop non-optik yang dapat digunakan untuk mengamati struktur permukaan suatu material. STM adalah mikroskop non-optik yang membaca probe listrik pada permukaan yang kemudian dicitrakan untuk mendeteksi arus listrik antara tip dan permukaan atom yang dipelajari. STM memungkinkan untuk memvisualisasikan densitas elektron dan mengetahui posisi masing-masing atom dan jari-jari permukaan kisi. STM menghasikan bentuk tiga dimensi dari permukaan yang berguna untuk mengkarakterisasi kekasaran permukaan dan mengetahui ukuran dan komposisi molekul yang menyusun permukaan atom.

4. XRF

XRF adalah alat yang digunakan untuk menganalisis kandungan unsur dalam bahan yang menggunakan metode spektrometri. XRF merupakan pemancaran sinar X dari atom tereksitasi yang dihasilkan oleh tumbukan elektron berenergi tinggi, partikel-partikel lain, atau suatu berkas utama dari sinar X lain. Analisis menggunakan XRF dilakukan berdasarkan identifikasi dan pencacahan sinar-X karakteristik yang terjadi dari peristiwa efekfotolistrik.

5. TEM

Sama seperti SEM, TEM juga digunakan untuk mengkarakterisasi suatu material, biasanya untuk material berukuran nanometer. Namun TEM memiliki resolusi yang lebih tinggi daripada SEM. Malah, High Resolutin TEM (HR-TEM) dapat menentukan lokasi atom-atom dalam material. Cara kerjanya pun sangat mirip dengan prinsip Rontgen dalam kedokteran.

6. AFM

AFM merupakan alat pengkarakterisasi material dengan menggunakan gaya atom antar tip dan substrat. AFM adalah salah satu alat terpenting untuk pencitraan, mengukur, dan memanipulasi materi pada skala nano.

Beberapa efek penting yang dimiliki benda jika ukurannya diperkecil menuju skala nano:

1. Efek permukaan

Semakin kecil ukuran benda maka permukaan atom penyusun benda tersebut yang terekspos dipermukaan benda akan memiliki fraksi yang semakin besar. Nanomaterial memiliki surface area yang besar daripada material awalnya. Hal ini dapat meningkatkan reaktifitas kimia dan meningkatkan kekuatan sifat elektronik.

2. Efek ukuran

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.

3. Efek kuantum

Berdasarkan teori Kubo mengenai energi gap elektron yang dirumuskan sebagai:

ΔE=A/d^E

dimana ΔE adalah energi gap, d sebagai diameter partikel, dan A adalah konstanta material 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.

Kombinasi dari efek – efek tersebut menimbulkan munculnya sifat fisis yang berbeda dari sifat yang dimiliki oleh bulk materialnya. Fenomena unik yang dapat diamati pada sifat-sifat magnetik, mekanik, listrik, termal, optik, kimia dan biologi yaitu : (

1. Sifat elektrik : Nanomaterial dapat mempunyai energi lebih besar dari pada material ukuran biasa karena memiliki surface area yang besar. Hal ini berkaitan dengan resistivitas elektrik yang mengalami kenaikan dengan berkurangnya ukuran partikel. Contohnya : material yang bersifat isolator dapat bersifat konduktor ketika berskala nano, sedangkan contoh aplikasinya: Baterai logam nikel hibrida terbuat dari nanokristalin nikel dan logam hibrida yang membutuhkan sedikit recharging dan memiliki masa hidup yang lama. Efisiensi efek termoelektrik akan meningkat pada bahan beskala nano. Partikel logam/semikonduktor berukuran nano memiliki warna emisi berbeda dibandingkan partikel tersebut dengan ukuran skala mikro.

2. Sifat magnetik : tingkat kemagnetan akan meningkat dengan penurunan ukuran butiran partikel dan kenaikan spesifik surface area persatuan volume partikel sehingga nanomaterial memiliki sifat yang bagus dalam peningkatan sifat magnet (ketika ukuran butir bahan magnetik diperkecil hingga skala nano, bahan feromagnetik berubah menjadi bahan superparamagnetik). Contohnya: Magnet nanokristalin yttrium-samarium-cobalt memiliki sifat magnet yang luar biasa dengan luas permukaan yang besar.

3. Sifat mekanik lebih besar bila dibandingkan dengan material dengan ukuran biasa (salah satu sifat mekanik bahan adalah kekuatan luluh yaitu batas maksimum kekuatan suatu bahan sebelum mengalami deformasi plastis (berubah bentuk). Jika ukuran butir suatu logam atau keramik lebih kecil dari ukuran butir kritis (<100 nm) , sifat mekanik bahan berubah dari keras menjadi lunak.Contoh aplikasinya :Apabila material nano digunakan pada cat, akan berefek antigores, antiluntur, dan memantulkan panas. Cat berpartikel nano akan membuat rumah atau kendaraan tetap sejuk meski terpapar sinar matahari.

4. Sifat optik : Sistem nanomaterial memiliki sifat optik yang menarik, yang mana berbeda dengan sifat kristal konvensional. Kunci penyumbang faktor masuknya quantum tertutup dari pembawa elektrikal pada nanopartikel, energi yang efisien dan memungkinkan terjadinya pertukaran karena jaraknya dalam sekala nano serta memiliki sistem dengan interface yang tinggi. Dengan perkembangan teknologi dan material mendukung perkembangan sifat nanofotonik. Dengan sifat optik linier dan nonlinier material nano dapat dibuat dengan mengontrol dimensi kristal dan surface kimia, teknologi pembuatan menjadi faktor kunci untuk mengaplikasikan. Contoh: Electrochromik untuk liquid crystal display (LCD)

5. Sifat kimia : Merupakan faktor yang penting untuk aplikasi kimia nanomaterial yaitu penumbahan surface area yang mana akan mngningkatkan aktivitas kimia dari material tersebut. Contoh aplikasi : Teknologi fuel cell dimana dalam fuel cell digunuakan logam Pt dan Pt-Ru

6. Sifat katalisis :Nanomaterial 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.

Temperatur lebur nanomaterial

Temperatur lebur suatu material sangat bergantung pada ukuran partikelnya. Semakin kecil ukuran suatu partikel makin kecil temperatur leburnya (Schaefer, 2010). Emas pada ukuran besar (bulk) memiliki temperatur lebur 1.064^oC, sementara jika ukurannya 2 nm temperatur leburnya turun menjadi 200^oC. Hubungan temperatur lebur dengan ukuran partikel dinyatakan oleh Persamaan 2:

(2)

Dengan temperatur lebur pada ukuran bulk, α adalah konstanta yang bergantung pada jenis material, ρ adalah densitas material, R adalah jari-jari partikel dan H adalah kalor laten fusi material.

Lebar celah pita energi nanomaterial

Lebar celah pita energi suatu material dipengaruhi ukuran partikelnya (Schaefer, 2010). Jika lebar celah pita energi suatu material telah diperoleh, maka ukuran partikel dapat ditentukan. Hubungan antara jari-jari partikel Rdan lebar celah pita energi ΔE dapat dirumuskan sebagai:

(3)

Dimana: E_g adalah energi transisi hasil pengukuran nanopartikel,  E_g^bulk adalah energi transisi material dalam ukuran  bulk,  h adalah konstanta Plank,  e adalah muatan elektron,  m_o adalah massa diam elektron, m_e adalah massa efektif elektron, m_h adalah massa hole, ε dan ε_o masing-masing adalah konstanta dielektrik material dan permitivitasnya pada ruang hampa (Horasdia).

Aplikasi nanomaterial

Beberapa contoh aplikasi nanomaterial adalah sebagai berikut: (Ade, 2011)

1. Kesehatan

· Contrast agent untuk pencitraan sel dan terapi untuk mengobati kanker

· Nanoteknologi-on-a-chip

· Drug delivery vehicles

· Kosmetik yang dapat melindungi diri dari bahaya sinar  ultraviolet .

2. Lingkungan Hidup: Nanofiltration terutama digunakan untuk menghilangkan ion atau pemisahan fluida yang berbeda.

3. Elektronika: Salah satu aplikasi dalam elektronika adalah sebagai Memori Storage.

Kelebihan

· Dengan ukuran partikel yang sangat kecil namun efisiensi yang jauh lebih tinggi dibanding pada saat partikel berukuran normal.

· Fenomena unik sifat-sifat mekanik, fisika, kimia, biologi, listrik, termal dan elektrik pada skala nano membuka peluang aplikasi bahan dan teknologi nano diberbagai bidang.

· Dengan adanya fenomena unik diatas maka banyak inovasi baru misalnya : mengubah polusi panas menjadi energi listrik, mobil berbahan baku nanas.

· Penerapan material nano bukan hanya pada bidang teknik, melainkan juga pada produk makanan, obat-obatan, dan kosmetik.

· Produk yang dihasilkan jauh lebih berkualitas, yaitu tidak mudah aus, hemat enrgi karena tahan panas, dan tidak memerlukan pendinginan, dengan demikian , akan menghemat biaya oprasional dan pemeliharaan serta ramah lingkungan.

Kekurangan

· Nanopartikel berbahaya bagi kesehatan karena Nanopartikel dapat mengganggu jalannya transportasi substansi vital masuk dan keluar sel, sehingga mengakibatkan kerusakan fisiologis sel dan mengganggu fungsi sel normal.

· Bioavailability, didefinisikan sebagai kemampuan bahan untuk menembus membran/lapisan jaringan tubuh melalui berbagai cara paparan (kulit, pernafasan, dan pencernaan).

· Bioaccumulation, didefinisikan sebagai kemampuan partikel yang terabsorpsi untuk terakumulasi didalam jaringan tubuh organisme dengan berbagai jalur paparan.

· Toxic Potential, efek dari toksisitas nanomaterial dimungkinkan melalui berbagai sebab yaitu kemampuan oksidasi, inflamasi dari iritasi fisis, pelepasan dari radikal yang terkandung dan dari pengotor (impurities) dari pembuatan nanomaterial misalkan sisa katalis, pengotor bahan baku yang kurang murni.

Daftar pustaka

webugm@ugm.ac.id /Nanomaterial Berlapis dan Berpori, Material Multifungsi oleh Karna Wijaya, 2010. (didownload tanggal 21-12-2011 pukul 09.30)

Lia. Kurnia, Darminto, Malik.A. 2010. Sintesis Dan Karakterisasi Partikel Nano Fe3O4 Yang Berasal Dari Pasir Besi Dan Fe3 O4 Bahan Komersial (Aldrich). Surabaya :ITS

Horasdia.S.____. Nanomaterial: Pendekatan Baru Penanggulangan Kanker Dan Diabetes. Bandung: Universitas Advent Indonesia

Fahlefi.N .D.2010. Simulasi Dengan Metode Monte Carlo Untuk Proses Pembuatan Nanomaterial Menggunakan Ball Mill. Skripsi prodi fisika FMIPA UI

www. Nanocompositech.com/ nanotechnology applications (didownload tanggal 21-12-2011 pukul 09.20)

http://fiqrotul.wordpress.com/nanomaterial. (didownload tanggal 21-12-2011 pukul 09.25)

Ade.E. N.2011. Aplikasi Material. Bandung : Jurusan Fisika Fakultas Sains Dan Teknologi UIN Sunan Gunung Djati Bandung

Kumar, C.S.S.R., Hormes, J., dan Leuschner, C., 2005. Nanofabrication Towards Biomedical Applications.  Wilet-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany.

Schaefer, H.E., 2010. Nanoscience The Science of the Small in Physics, Engineering, Chemistry, Biology and Medicine.  Springer-Verlag,  Berlin, Germany