Aplikasi Nanomaterial di Berbagai Bidang

Nanomaterial adalah material yang memiliki struktur berdimensi sangat kecil yakni berkisar antara 1-100 nm. Satu nanometer (nm) sama dengan satu per milyar kali-nya 1 meter (1nm= 10-9m). Sebagai gambaran, bagian terkecil dari makhluk hidup yaitu DNA double helix memiliki diameter sekitar 2 nm. Makhluk hidup terkecil yaitu bakteri Mycoplasma memiliki panjang sekitar 200 nm. Rambut manusia berdiameter ~10-50 μm atau 10.000-50.000 nm.

Nanomaterial membuka peluang aplikasi material tersebut di berbagai bidang, diantaranya;

  • Pada bidang elektronika

Nanomaterial memberi dampak revolusioner pada komputer, sensor dan divais. Miniaturisasi material hingga orde molekuler ini dilakukan, antara lain dipicu oleh tuntutan pengecilan ukuran perangkat elektronik dan komputer. Sebagai contoh, dengan adanya nanomaterial, rangkaian terpadu atau IC berukuran 1 cm2 dapat dijejali milyaran transistor sehingga rangkaian tersebut berkapasitas terabyte, bukan lagi gigabyte. Penggunaan nanoteknologi dalam dunia komputer telah mengubah ukuran komputer menjadi semakin kecil dengan kemampuan dan kapasitas makin meningkat. Begitu pula dengan telpon genggam, sehingga harganya semakin murah tapi kemampuan dan kapasitasnya jauh lebih baik.

  • Kosmetik

Sunscreen berbahan dasar mineral nanopartikel seperti titanium oksida menunjukkan beberapa keuntungan, diantaranya: dapat menyerap dan memantulkan sinar ultraviolet (UV) tapi masih transparent terhadap sinar tampak.

  • Cat

Penambahan nanopartikel ke dalam cat dapat meningkatkan performansi-nya seperti menjadi lebih ringan, lapisan cat menjadi lebih tipis dan memberikan karakteristik yang berbeda. Cat tersebut dapat digunakan untuk keperluan pesawat udara.

  • Kesehatan

Nanopartikel banyak digunakan di dunia kesehatan seperti pada drug delivery dan tissue engineering untuk menggantikan atau memperbaiki jaringan sel yang rusak.

  • Katalis

Secara umum, nanomaterial memiliki luas permukaan yang besar sehingga dapat meningkatkan aktivitas katalitik dari bahan katalis.

  • Makanan

Nanomaterial dapat digunakan pada tahap produksi, perlindungan dan pengemasan makanan. Proses pelapisan nanokomposit dapat meningkatkan ketahanan kemasan makanan akibat adanya zat anti mikroba pada permukaan lapisan kemasan.

  • Konstruksi

Nanoteknologi berpotensi untuk menjadikan konstruksi lebih cepat, murah dan aman. Silika digunakan sebagai campuran pada konkrit konvensional. Penambahan silika nano pada konkrit dapat meningkatkan kekuatan mekanik-nya. Penambahan silika nano pada material berbasis semen dapat mengendalikan degradasi reaksi fundamental konkrit C-S-H ( calcium silicate hydrate ) yang disebabkan leaching kalsium dalam air atau sebagai pencegah penetrasi air sehingga dapat meningkatkan durabilitas.

Sumber: http://www.bbk.go.id/index.php/berita/view/119/Uniknya-Nanomaterial#:~:text=Nanomaterial%20adalah%20material%20yang%20memiliki,%3D%2010-9m).

Nanomaterial juga memperlihatkan keunikan lain, yaitu meningkatnya sifat fisika, kimia, elektrik dan sifat lainnya, seperti:

  • Nanomaterial menunjukkan thermal konduktivity 10 kali lebih tinggi dibandingkan logam. Hal ini disebabkan adanya vibrasi dari ikatan kovalen pada nanomaterial dan defect pada struktur nanomaterial sangat minimum.
  • Sebagian besar material mengalami patah pada saat diuji kuat lentur karena adanya defect , tapi nanomaterial memiliki sedikit defect sehingga strukturnya lebih kuat.
  • Sel bahan bakar ( fuel cell ) dari nanomaterial dapat menurunkan biaya 10-100 kali lipat dari teknologi konvensional
  • Batere dan superkapasitor dari nanomaterial memiliki kemampuan 10-100 kali lipat teknologi konvensional

Karakteristik dari nanomaterial dapat meningkat atau bahkan sangat berbeda dibandingkan material pada umumnya. Hal ini disebabkan dua faktor, yaitu:

  • Luas permukaan nanomaterial yang meningkat

Makin kecil ukuran maka luas permukaannya makin meningkat, sehingga karakteristik nanomaterial pun meningkat dibandingkan ukuran makroskopisnya.

  • Efek kuantum

Ukuran skala nano (1-100 nm) merupakan ukuran partikel dimana efek kuantum menentukan perilaku dan karakteristik partikel. Pada skala ini, sifat material sangat dipengaruhi ukuran. Sifat nanomaterial seperti titik lebur, konduktivitas listrik, permeabilitas magnetik, warna, dan reaktivitas kimia merupakan fungsi dari ukuran partikel.

sumber : http://www.bbk.go.id/index.php/berita/view/119/Uniknya-Nanomaterial

Dibawah ini akan dibahas beberapa efek penting yang dimiliki benda jika ukurannya diperkecil menuju skala nano.

1.Efek permukaan
Kemudian karakteristik kunci dari nanomaterial yang pertama adalah jumlah atom permukaan yang signifikan. Semakin kecil ukuran benda maka permukaan atom penyusun benda tersebut yang terekspos dipermukaan benda akan memiliki fraksi yang semakin besar. Misalkan benda berbentuk kubus dengan panjang sisi L terdiri dari kubus – kubus kecil dengan panjang sisi d sebesar 1/3 nm. Semakin kecil kubus maka semakin besar fraksi atom penyusun yang terekspos seperti dalam hasil hitungan tabel dibawah ini.

hitungan luas

Misalkan kita akan memotong sebuah kubus menjadi dua. Kita asumsikan Nb adalah jumlah ikatan kimia yang terlepas, dan e adalah kekuatan ikatan kimia, sedangkan p adalah jumlah atom per luas permukaan baru maka energi permukaan dapat dinyatakan sebagai berikut:
rumus1

Jika benda tersusun dari kristal dengan struktur FCC maka bisa kita hitung energi permukaan pada masaing – masing bidang permukaannya. Gambar dibawah dapat digunakan sebagai ilustrasi hitungan tersebut.
fccenergi1
fccenergi2

Dari gambar diatas, maka dapat disimpulkan jika bidang {111} dari FCC merupakan permukaan yang paling stabil karena mengandung energi permukaan yang paling kecil. Hal ini menyebabkan permukaan dari bahan kristalin nanopartikel cenderung tersusun dari bidang {111} seperti pada gambar berikut berupa gambar TEM dari nanopartikel emas yang membentuk faset dengan bidang [111].
faset

Secara umum dapat disimpulkan sifat dari nanomaterial yang berkaitan dengan atom permukaan adalah sebagai berikut:

  1. Nanomaterial memiliki luas permukaan yang besar serta jumlah atom dipermukaan yang besar.
  2. Memiliki energi permukaan dan tegangan permukaan yang tinggi.
  3. Permukaan dari partikel kristalin dengan ukuran nano cenderung membentuk faset
  4. Bidang faset cenderung tersusun dari bidang yang paling rapat.
  5. Permukaan bersifat sangat reaktif dan mudah teroksidasi.
  6. Perhatian perlu diberikan ketika menyimpan logam partikel nano karena bisa terjadi ledakan.

2. Efek Ukuran

Dalam skala nanometer, sifat baru dan fenomena unik dari bahan akan muncul. 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. Dalam ilustrasi dibawah ini digambarkan perubahan suhu leleh dari logam emas yang merupakan fungsi dari ukuran partikelnya.

goldmelt

3. Efek Kuantum

Efek kuantum dapat dijelaskan dengan Teori Kubo, yang dideskripsikan dengan persamaan berikut.
kubo
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.
energielektron

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. Dibawah ini diilustrasikan perubahan sifat optikal dari emas disebabkan perubahan ukuran.
image

Sumber
https://materialcerdas.wordpress.com/teori-dasar/karakteristik-nanomaterial-1/#:~:text=Nanomaterial%20memiliki%20luas%20permukaan%20yang,dan%20tegangan%20permukaan%20yang%20tinggi.&text=4.%20Bidang%20faset%20cenderung%20tersusun%20dari%20bidang%20yang%20paling%20rapat.

izin mau bertanya, dampak negatif pengaplikasian nanomaterial untuk tiap tiap bidang seperti apa? untuk makanan apa dampak bagi kesehatan?