Pembangkit Listrik Berbasis Nanokomposit Piezoelektrik

Korea, 28 Mei 2012. 

Tim Profesor Keon Jae Lee dari Departemen Materials Science and Engineering, KAIST, Korea Selatan telah mengembangkan bentuk baru dari teknologi nanogenerator dengan biaya rendah, dengan menggunakan nanopartikel keramik piezoelektrik. 

Piezoelektrik efek berbasis teknologi nanogenerator bekerja dengan cara mengkonversi sumber energi yang bebas polusi, seperti energy getaran dan mekanik dari angin dan ombak. Penemuan ini menggambarkan peluang dan minat yang besar dalam bidang teknologi energy harvesting generasi mendatang. Namun, teknologi nanogenerator ini sebelumnya memiliki keterbatasan karena prosesnya rumit, biaya tinggi, dan ukuran yang terbatas.

Baru-baru ini, tim peneliti Prof Lee telah mengembangkan sebuah nanogenerator berbasis nanokomposit yang berhasil mengatasi pembatasan kritis pada nanogenerator sebelumnya dan berhasil membangun sistem self-powered yang lebih sederhana, murah, dan berskala besar. Tim ini memproduksi nanokomposit piezoelektrik dengan cara mencampur nanopartikel piezoelektrik dengan nanomaterial berbasis karbon (karbon nanotube dan reduksi oksida graphene) dalam matriks polydimethylsiloxane (PDMS) dan fabrikasi generator nanokomposit dengan proses sederhana yakni dengan metode spin-casting atau bar-coating. 

Prof Zong Lin Wang dari Georgia Institute and Technology, yang merupakan penemu teknologi nanogenerator mengatakan bahwa: “ini merupakan hasil penelitian yang pertama kali memperkenalkan sebuah partikel nanokomposit ke dalam sistem energy self-powered, dan ini dapat memperluas kelayakan penggunaan nanogenerator bagi para pengguna elektronik dan sensor jaringan dimanapun.”

source:

http://www.energyharvestingjournal.com/articles/power-generation-based-on-piezoelectric-nanocomposite-materials-00004430.asp?sessionid=1

Read More

Material Nano 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 lain. Material nano yang termasuk dalam kelompok nano anorganik diantaranya adalah fullerene, karbon nanotube, nanowire, nanoporous, semikonduktor nanokristal atau nano partikel. 

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 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 dari beberapa atom boron dan nitrogen. 

carbon nanotube jenis SWNT

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. 

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). 

nanoporous pada sebuah magnet

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 Amstrog, 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.

quantum dots bulk

Read More

Mengapa Harus Nanoteknologi?

Nanosains dan nanoteknologi (iptek nano) merupakan bidang kajian ilmu dan rekayasa material dalam ukuran nanometer. Bidang ilmu ini telah dipandang dapat memberikan perubahan besar terhadap peradaban manusia di abad ke-21 ini. Dengan teknologi ini manusia dapat membangun suatu obyek dalam skala nano meter dengan cara menyusun atom demi aom. Secara fundamental objek dalam skala nano meter memiliki sifat dan fungsi baru yang sama sekali berbeda dengan sifat dan fungsinya dalam ukuran yang lebih besar. 

Berikut adalah definisi dari Royal Society of London (2004) tentang iptek nano: nanosains is the study of phenomena and manipulation of materials at atomic, molecular and macromolecular scales, where properties differ significantly from those at a large scale. Ada juga yang mendefinisikan lebih sederhana: Nanotechnologies are the design, characterisation production and application of structure, devices and system by controlling shape and size at nanometre scale.

Mengapa teknologi kita harus beralih ke nanometer? Ketika mencanangkan program NNI (National Nanotechnology Initiative) pada tahun 2000, presiden Amerika Bill Clinton menargetkan bahwa paling lambat tahun 2020 sebagian besar teknologi akan berbasis pada material skala nano meter. Menurut hasil penelitian material ukuran nanometer memiliki sejumlah sifat kimia dan fisika yang lebih unggul dari material ukuran besar seperti mikro. Yang lebih menarik lagi, sifat tersebut dapat diubah-ubah melalui pengontrolan ukuran material, pengaturan komposisi kimiawi, modifikasi permukaan, dan pengontrolan interaksi antarpartikel. 

Sejak tahun 2000, riset nano memasuki babak paling progresif. Penemuan baru dalam bidang ini hampir muncul setiap minggu dan aplikasi-aplikasi baru muncul dalam berbagai bidang. Contoh pada bidang elektronik (pengembangan piranti/device ukuran nano), energi (pembuatan sel surya yang lebih efisien), kimia (pengembangan katalis yang lebih efisien), kedokteran (pengembangan peralatan deteksi kanker berdasarkan interaksi antarsel kanker dengan partikel ukuran nano), farmasi dan kesehatan (pengembangan obat-obatan dengan ukuran nano sehingga lebih cepat melarut dalam tubuh serta pengembangan oba pintar yang dapat mencari sel tumor dalam tubuh dan langsung mematikan sel tersebut tanpa mengganggu sel-sel normal), lingkungan (penemuan penghancur skala nano untuk polutan organik di air dan udara), dsb. 

Kekayaan sumber daya alam Indonesia menyimpan potensi yang sangat luar biasa untuk pengembangan iptek nano. Biodiversitas sumber daya alam hayati Indonesia sangatlah kaya. Kekhasan alam tropis dan sebaran gunung api di Indonesia secara alamiah merupakan penyedia iklim dan mineral penyubur tanah yang ideal untuk tumbuhnya berbagai tanaman pangan, kayu keras dan obat. Melalui rekayasa nanoteknologi, bahan alam berkhasiat obat (herbal) dapat dimanfaatkan sebagai obat (biofarmaka) yang dibuat dalam ukuran nano sehingga hasilnya lebih efektif dan efisien. 

Ada fenomena menarik lagi dari teknologi nano, dalam dunia nano merubah material kayu menjadi tepung untuk pembuatan roti yang layak dikonsumsi bukan merupakan suatu hal yang mustahil. Menurut Dr. Nurul Taufiqu Rochman dengan teknologi nano atau rekayasa molekular mesin nano dapat merubah kayu menjadi roti. Beliau menjelaskan lebih lanjut bahwa bahan penyusun roti dan kayu itu sama yakni terdiri dari unsur karbon dan hidrogen. Yang berbeda hanyalah ukuran partikelnya. Jadi kayu tinggal dihancurkan sampai ukuran nano dan disusun kembali dengan komposisi sesuai keinginan sehingga menjadi roti. Beliau menambahkan bahwa bukan hanya kayu yang dapat berubah menjadi roti, namun arang pun dapat dirubah menjadi intan. Loh ko bisa? Intan dan arang sama-sama tersusun dari sekumpulan atom karbon, lagi-lagi yang membedakan adalah ukuran partikelnya. Arang tersusun atas sekumpulan atom karbon yang berbentuk segienam rombik, sedangkan intan tersusun atas sekumpulan atom karbon membentuk struktur heksagonal. 

Peran dunia nanoteknologi dalam dunia IT juga sudah tidak diragukan lagi. Bertambahnya kecepatan komputer dari waktu ke waktu, meningkatnya kapasitas hardisk dan memory, semakin kecilnya ukuran penyimpanan data luar seperti falshdisk namun mampu memiliki kapasitas memory besar, semakin kecil dan bertambahnya fungsi telepon genggam (HP) adalah contoh-contoh konkrit produk teknologi nano di bidang IT (Information Technology). Dan masih banyak lagi keunggulan teknologi nano di masa kini. Maka tak heran jika Bill Clinton di muka tadi mengatakan bahwa pada tahun 2020 nanti teknologi dunia akan dikuasai oleh teknologi nano. 

Read More

Pengenalan Nanoteknologi

Nanoteknologi adalah ilmu dan rekayasa material, struktur fungsional maupun piranti dalam skala nanometer (10 pangkat -9). Hasil akhir riset bidang nanomaterial adalah mengubah teknologi yang ada sekarang yang pada umumnya berbasis material skala mikrometer menjadi teknologi berbasis pada materia skala nanometer.

Orang berkeyakinan bahwa material berukuran nanometer memiliki sifat fisika dan kimia yang lebih unggul dari material ukuran besar (bulk). Sifat tersebut dapat diubah melalui pengontrolan ukuran material, pengaturan komposisi kimiawi, modifikasi permukaan, dan pengontrolan interaksi antar partikel. 

Di alam sebenarnya sudah ada sejumlah wujud yang berdimensi nanometer. Kita mengenal double helix DNA yang memiliki diameter sekitar 2 nm dan ribosom yang memiliki diameter sekitar 25nm. Atom-atom memiliki diameter sekitar 0,1 sampai 0,4 nm sehingga material yang berukuran nanometer hanya mengandung puluhan hingga ribuan atom. Sebagai perbandingan, rambut manusia memiliki diameter 50.000 hingga 100.000 nm, sehingga 1 nm kira-kira sama dengan sehelai rambut yang diameternya dibelah menjadi 100 ribu bagian. 

Mengapa reduksi ukuran dalam skala nm menjadi begitu penting? Sifat-sifat material baik sifat fisika, kimia, maupun biologi berubah dengan drastis ketika dimensi material masuk ke dalam skala nm. Yang lebih menarik lagi adalah sifat-sifat tersebut ternyata bergantung pada ukuran, bentuk, kemurnian permukaan, maupun topologi material. Sebagai gambaran, partikel tembaga yang memiliki diameter 6 nm memiliki sifat 5x lebih keras daripada tembaga ukuran besar (ukuran partikel skala mikro). Keramik yang pada umumnya mudah pecah dapat dibuat fleksibel jika ukuran bulir direduksi ke dalam ukuran nm. contoh, Cadmium Selenida (CdSe) dapat menghasilkan warna yang berbeda dengan hanya mengontrol ukuran partikel. 

Nanopartikel yang berukuran sangat kecil juga memperlihatkan sifat magnetik dan optik yang unik. Sebagai contoh, material feromagnetik menjadi superparamagnetik ketika ukurannya lebih kecil dari 20 nm. Fenomena ini muncul karena partikel tersebut tidak dapat mempertahankan sifat magnetis akibat ketiadaan domain magnet. Ukuran domain magnet pada umumnya beberapa mikrometer. Di dalam partikel yang berukuran kurang dari 100 nm tidak ada domain magnetik yang bisa muncul. Tetapi partikel tersebut mengalami gaya magnet jika berada dalam medan magnet. Partikel semacam ini berguna sebagai pembawa obat-obatan (drug delivery) yang dapat meningkatkan ketelitian pengarahan obat ke sel tumor tertentu dengan menggerakkan partikel tersebut menggunakan pulsa elektromagnetik dari luar. 

Partikel nanomagnetik ditancapkan pada material obat. Medan magnet drai luar kemudian diarahkan pada material obat tersebut sehingga mengalami gaya magnet. Dengan mengatur arah medan magnet yang diterapkan, maka arah gerak material obat dapat dikontrol sehingga mengarah ke lokasi tertentu di dalam tubuh, misalnya ke arah sel-sel tumor. Untuk menghindari efek samping yang tidak diinginkan, sebelum ditancapkan ke matreial obat, nanopartikel magnetik dibungkus (coating) terlebih dahulu dengan material yang aman bagi tubuh. Ketika material obat habis terurai, maka nanopartikel magnetik yang tersisa tidak berbahaya saat bersentuhan langsung dengan sel-sel tubuh.

Nanopartikel magnetik juga dapat ditempelkan ke antibodi yang kemudian diarahkan dengan medan magnet ke arah sel tumor. Kemudian dengan medan magnet, partikel tersbeut dipanaskan secara lokal (pemanasan lokal yang sangat kecil) sehingga dapat membunuh sel tumor yang berada di sekitar partike itu tanpa merusak sel-sel lain yang normal.

Read More