SIFAT-SIFAT DARI NANOMATERIAL

APA ITU NANAOMATERIAL ?

Nanomateral adalah material yang berukuran sangat kecil yakni berkisar antara (1-100) nm atau bersekala nano.

Apa itu nanoteknologi ?

Nanoteknologi mempunya banyak pengertian

Nanoteknologi atau teknologi rekayasa zat  adalah pembuatan / penggunaan materi / devais pada ukuran sangat kecil, yakni 1-100 nm . devinisi kedua adalah memahami dan mengontrol sesuatu pada dimensi 1-100 nm, dimana fenomena2 unik menghasilkan aplikasi baru. Teknologi nano meliputi pencitraan , pemodelaan , pengukuran, fabrikasi dan memanipulasi sesuatu pada skala nano. Fenomena2 unik yang dapat diamati pada sifat2 magnetik , mekanik , listrik, termal , optik , kimia dan biologi . ketika ukuran butir bahan magnetik diperkecil hingga skala nano , bahan feromagnetik berubah menjadi bahan superparamagnetik . 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.efek termoelektrik adalah konversi langsung perbedaan temperatur menjadi beda tegangan atau sebaliknya. Efisiensi efek termoelektrik akan meningkat pada bahan beskala nano. Partikel logam/semikonduktor berukuran nano memiliki warna emisi berbeda dibandingkan partikel tersebut dengan ukuran skla mikro.

Jadi intinya dengan nanoteknolgi maka setiap bahan / material akan memungkinkan pengurangan berat disertai dengan peningkatan stabilitas dan meningkatkan fungsionalitas.

Latar Belakang perkembanganan teknologi Nano

Motif sains :

Diantaranya adalah

1. Nanoteknologi atau teknologi rekayasa zat bersekala nanometer atau sepermiliar meter massa pengembangannya belumlah tergolong lama. Munculnya kesadaran terhadap ilmu dan teknologi nano diinspirasi dan didorong oleh pemikiran futuristik dan juga penemuan peralatan pengujjian dan bahan-bahan .Konsepnya pertama kali diperkenalka oleh Richard Feynman , ahli fisika amerika serikat yang kemudian meraih nobel fisika pada 1965 , tepatnya  Pada tanggal 29 Desember 1959 dalam pertemuan tahunan Masyarakat Fisika Amerika (American Physical Society) di Caltech, Richard Phillips Feynman dalam suatu perbincangan berjudul “ There’s plenty of room at the bottom” atau dalam bahasa indonesia nya “Masih banyak ruang dibagian paling Bawah”, hal ini memunculkan suatu isu yaitu permasalahan unutuk memanipulasi dan mengontrol atom (ukuran 0,001 nm) dan molekul (ukuran 0,1 nm) pada dimensi kecil (nanometer).
2. Namun ternyata  teknologi nano telah diteliti terlebih dahulu oleh 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 . selain itu Norio Taniguchi juga dianggap sebgai orang yang pertamakali menciptakan istilah “nanoteknologi” dalam presentasi konfrensi tahun 1974-nya l “konsep dasar yang berjudul ‘Nano Teknologi’ “ .
3. Tahun 1981 :  2 peneliti IBM , Gerg K Binnig dan Heinrich Rohrer (pemenang hadial Nobel Fisika tahun 1986) menemukan Scanning Tunneling Microscope (STM) yang memungkinkan pengamatan topografi permukaan dengan format atom-demi-atom
4. Tahun 1985 : Robert Curl , Harold Kroto, dan Richard Smalley (pemenang hadiah Nobel Kimia tahun 1996) menemukan buckyball/full erene
5. Tahun 1986 : Gerg Binning , Calfin F Quate , dan Christoph Gerber menemukan Atomic Force Microscope (AFM).
6. Perkembangan transistor terutama field-effect transistor (FET) mendorong lebih lanjut kebutuhan akan memperkecil ukuran produk dan miniaturisasi
7. Pada akhirnya, penemuan bahan C60-buckminsterfullerene oleh H.W. Kroto 4 dan carbon nanotubes (CNT) oleh Sumio Ijima 5 semakin meningkatkan kesadaran masyarakat akademik, industri, dan pemerintahan untuk lebih serius mengembangkan ilmu dan teknologi nano.

Motif industri

1. Sebagian orang berpendapat bahwa mikroelektronika sudah sampai pada tingkat saturasi. Dimana tidak ada lagi kemajuan-kemajuan berarti yang akan dicapai .
2. Miniaturisasi material hingga orde molekuler itu dilakukan , antara lain dipicu oleh tuntutan pengecilan ukuran perangkat elektronik dan komputer. Dengan adanya nano itu, rangkaian terpadu atau IC berukuran 1 sentimeter persegi , misalnya , dapat dijejali miliaran transistor sehingga rangkaian tersebut berkapasitas terabyte, bukan lagi gigabyte.
3. 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 (Pada kosmetik, ada pelembab berbahan nanosel. Unsur nano ini dapat menutup keriput lebih baik dan mencerahkan wajah) )
4. Peluang mereduksi ukuran komponen-komponen mikroelektronikan untuk meningkatkan densitas komponen dalam satu chip makin pupus
5. Pangsa pasar (maksudnya banyak orang yang lebih menyukai produk berukuran nano , mengapa ? alasanya karena lebih simpel dan efesien ) Penggunaan nanoteknologi dalam dunia komputer telah mengubah ukuran komputer menjadi semakin kecil, namun disertai dengan peningkatan kemampuan dan kapasitasnya. Seperti halnya komputer, telepon genggam juga disempurnakan dengan nanoteknologi, sehingga harganya menjadi semakin murah, tetapi dengan kemampuan dan kapasitas yang jauh lebih baik. Produk-produk lainnya seperti nano-tekstil, nano-keramik, nano-coating, nano-film, nano-farmasi dan sebagainya telah berkembang dan dipasarkan secara luas.  

Karakteristik material dapat menjadi berbeda setelah menjadi nanomaterial ,

1. nanomaterial memiliki surface area yang besar daripada material awalnya. Hal ini dapat meningkatkan reaktifitas kimia dan meningkatkan kekuatan sifat elektronik,
2. efek kuantum yang mendominasi bahan nanoscale terutama pada pengaruh optikal dan sifat magnetik material. 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.

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, organi-anorganik hybrids..

Sifat-sifat keunggulan

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 : Batrai logam nikelhibrida terbuat dari nanokristalin nikel dan logam hibrida yang membutuhkan sedikit recharging dan memiliki masa hidup yang lama
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. 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

Karakteristik Nanomaterial 2

Dalam pembahasan karakteristik nanopartikel awal telah disebutkan beberapa efek kunci 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 fisis yang berbeda dari sifat yang dimiliki oleh bulk materialnya. Beberapa perubahan akan dicontohkan dibawah ini.

1. Perubahan struktur kristal.
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 oleh hasil analisa menggunakan XRD seperti pada gambar dibawah ini.

2. Sifat termal
Secara umum nanomaterial memiliki titik lebur yang lebih rendah dan panas spesifik yang lebih tinggi dibanding sifat bulk-nya. Kemudian reduksi ukuran ke skala nano akan menurunkan suhu sintering dan suhu pengkristalan dikarenakan kandungan energi permukaannya yang tinggi. 

3. Sifat Mekanik
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 nano sifat duktilitasnya meningkat sangat signifikan.

4.Sifat Listrik
Sifat konduktivitas cenderung mengalami pembalikan ketika terjadi reduksi ukuran. Nanokeramik dan nanokomposit memiliki kecenderungan menghantarkan listrik, sedangkan nanologam menjadi bersifat isolator. Contohnya Cu nanopartikel bersifat isolator sedangkan SiO2 nanopartikel bersifat penghantar listrik yang baik.

5. 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.

Masih beberapa sifat – sifat yang lain yang mengalami perubahan atau peningkatan misalnya sifat kemagnetan, sifat optis dan difusi permukaan.

II.  Sifat-sifat keramik

Secara umum kramik merupakan paduan antara logam dan non logam , senyawa paduan tersebut memiliki ikatan ionik dan ikatan kovalen . untuk lebih jelasnya mengenai sifat-sifat kramik berikut ini akan dijelaskan lebih detail.

a. Sifat Mekanik

Keramik merupakan material yang kuat, keras dan juga tahan korosi. Selain itu keramik memiliki kerapatan yang rendah dan juga titik lelehnya yang tinggi. Keterbatasan utama keramik adalah kerapuhannya, yakni kecenderungan untuk patah tiba-tiba dengan deformasi plastik yang sedikit. Di dalam keramik, karena kombinasi dari ikatan ion dan kovalen, partikel-partikelnya tidak mudah bergeser.

Faktor  rapuh terjadi bila pembentukan dan propagasi keretakan yang cepat.Dalam padatan kristalin, retakan tumbuh melalui butiran (trans granular) dan sepanjang bidang cleavage (keretakan) dalam kristalnya. Permukaan tempat putusyang dihasilkan mungkin memiliki tekstur yang penuh butiran atau kasar. Material yang amorf tidak memiliki butiran dan bidang kristal yang teratur, sehingga permukaan putus kemungkinan besar terjadi. Kekuatan tekan penting untuk keramik yang digunakan untuk struktur seperti bangunan. Kekuatan tekan keramik biasanya lebih besar dari kekuatan tariknya. Untuk memperbaiki sifat ini biasanya keramik di-pretekan dalam keadaan tertekan

b. Sifat Termal

Sifat termal bahan keramik adalah kapasitas panas, koefisien ekspansitermal, dan konduktivitas termal. Kapasitas panas bahan adalah kemampuan bahan untuk mengabsorbsi panas dari lingkungan. Panas yang diserap disimpan olehpadatan antara lain dalam bentuk vibrasi (getaran) atom/ion penyusun padatantersebut.

Keramik biasanya memiliki ikatan yang kuat dan atom-atom yang ringan. Jadigetaran-getaran atom-atomnya akan berfrekuensi tinggi dan karena ikatannya kuat maka getaran yang besar tidak akan menimbulkan gangguan yang terlalu banyak padakisi kristalnya.

Sebagian besar keramik memiliki titik leleh yang tinggi, artinya walaupun pada temperatur yang tinggi material ini dapat bertahan dari deformasi dan dapat bertahan dibawah tekanan tinggi. Akan tetapi perubahan temperatur yang besar dan tiba-tiba dapat melemahkan keramik. Kontraksi dan ekspansi pada perubahan temperatur tersebutlah yang dapat membuat keramik pecah.

c.  Sifat elektrik

Sifat listrik bahan keramik sangat bervariasi. Keramik dikenal sangat baik sebagai solator. Beberapa isolator keramik (seperti BaTiO 3) dapat dipolarisasi dan digunakan ebagai  kapasitor.  Keramik  lain  menghantarkan  elektron  bila  energi  ambangnya dicapai, dan oleh karena itu disebut semikonduktor. Tahun 1986, keramik jenis baru, yakni superkonduktor temperatur kritis tinggi ditemukan. Bahan jenis ini di bawah suhu  kritisnya  memiliki  hambatan  = 0.  Akhirnya,  keramik  yang  disebut  sebagai piezoelektrik  dapat  menghasilkan  respons  listrik  akibat  tekanan  mekanik  atau sebaliknya.

Elektron valensi dalam keramik tidak berada di pita konduksi,sehingga sebagian besar keramik adalah isolator. Namun, konduktivitas keramik dapat ditingkatkan dengan memberikan ketakmurnian. Energi termal juga akanmempromosikan elektron ke pita konduksi, sehingga dalam keramik, konduktivitasmeningkat (hambatan menurun) dengan kenaikan suhu.

Beberapa keramik memiliki sifat piezoelektrik, atau kelistrikan tekan. Sifat ini merupakan bagian bahan “canggih” yang sering digunakan sebagai sensor. Dalambahan piezoelektrik, penerapan gaya atau tekanan dipermukaannya akan menginduksipolarisasi dan akan terjadi medan listrik, jadi bahan tersebut mengubah tekananmekanis menjadi tegangan listrik. Bahan piezoelektrik digunakan untuk tranduser,yang ditemui pada mikrofon, dan sebagainya.

Dalam bahan keramik, muatan listrik dapat juga dihantarkan oleh ion-ion. Sifat ini dapat diubah-ubah dengan merubah komposisi, dan merupakan dasar banyakaplikasi komersial, dari sensor zat kimia sampai generator daya listrik skala besar.Salah satu teknologi yang paling prominen adalah sel bahan bakar.

d.  Sifat Optik

Bila cahaya mengenai suatu obyek cahaya dapat ditransmisikan, diabsorbsi, ataudipantulkan. Bahan bervariasi dalam kemampuan untuk mentransmisikan cahaya, danbiasanya dideskripsikan sebagai transparan, translusen, atau opaque. Material yang transparan, seperti gelas,mentransmisikan cahaya dengan difus, seperti gelasterfrosted, disebut bahan translusen. Batuan yang opaque tidak mentransmisikan cahaya.Dua mekanisme penting interaksi cahaya dengan partikel dalam padatan adalahpolarisasi elektronik dan transisi elektron antar tingkat energi. Polarisasi adalahdistorsi awan elektron atom oleh medan listrik dari cahaya. Sebagai akibat polarisasi,sebagian energi dikonversikan menjadi deformasi elastik (fonon), dan selanjutnya panas.

e. Sifat kimia

Salah  satu  sifat  khas  dari  keramik  adalah  kestabilan  kimia.  Sifat  kimia  dari permukaan keramik dapat dimanfaatkan secara positif. Karbon aktif, silika gel, zeolit, dsb, mempunyai luas permukaan besar dan dipakai sebagai bahan pengabsorb. Kalau oksida logam dipanaskan pada kira-kira 500 C, permukaannya menjadi bersifat asam atau bersifat basa. Alumina g , zeolit, lempung asam atau S 2O 2 – TiO 2 demikian juga berbagai oksida biner dipakai sebagai katalis, yang memanfaatkan aksi katalitik dari titik bersifat asam dan basa pada permukaan.

f. Sifat fisik

Sebagian besar keramik adalah ikatan dari karbon, oksigen atau nitrogen dengan material lain seperti logam ringan dan semilogam. Hal ini menyebabkan keramik biasanya memiliki densitas yang kecil. Sebagian keramik yang ringan mungkin dapat sekeras logam yang berat. Keramik yang keras juga tahan terhadap gesekan. Senyawa keramik yang paling keras adalah berlian, diikuti boron nitrida pada urutan kedua dalam bentuk kristal kubusnya. Aluminum oksida dan silikon karbida biasa digunakan untuk memotong, menggiling, menghaluskan dan menghaluskan material-material keras lain.

III.     Contoh

Keramik adalah  material  anorganik  dan non-metal.  Umumnya  keramik  adalah senyawa antara logam dan non logam.  Untuk mendapatkan sifat-sifat  keramik biasanya diperoleh dengan pemanasan pada suhu tinggi. Keramik:tradisional , modern .

Keramik tradisional :biasanya dibuat dari tanah liat .
Contoh: porselen, bata ubin, gelas dll.

Keramik modern : mempunyai ruang lingkup lebih luas dari keramik tradisional dan mempunyai  efek  dramatis  pada  kehidupan   manusia  seperti pemakaian  pada  bidang  elektronik,  komputer,  komunikasi, aerospace dll.