Sakelar Listrik Terinduksi Cahaya dari Molekul Azobenzene

Saat ini sebutan “pintar” sudah mengalami perluasan makna tidak hanya untuk benda hidup yang mampu berpikir, tetapi juga untuk benda mati. Dalam dunia ilmu pengetahuan, material pintar (smart material) adalah material yang memiliki beberapa sifat yang berbeda dan dapat berubah dari satu sifat ke sifat yang lain tergantung dari kondisi lingkungan yang diberikan (atau rangsangan luar). Rangsangan luar yang dimaksud dapat berupa energi listrik, cahaya, kimia, dan tekanan (sentuhan). Perubahan sifat dari material pintar ini dapat berupa perubahan warna, arus listrik, kekuatan magnet, ataupun panjang. Material seperti ini sering digunakan sebagai sensor dan aktuator seperti yang terdapat pada alat-alat elektronik dan otomotif modern sekarang ini.

Apa itu sensor dan aktuator? Sensor adalah perangkat yang mampu menerima rangsangan dari luar, seperti sel syaraf manusia, sedangkan aktuator adalah perangkat yang memiliki kemampuan merespons rangsangan umumnya berupa gerakan, seperti alat gerak manusia.  Beberapa teknologi yang menggunakan material pintar sering disebut dengan microelectronic-mechanic system (MEMS) atau nanoelectronic-mechanic system (NEMS). Ada banyak material pintar yang telah ditemukan sekarang ini dengan efek yang berbeda-beda, di antaranya piezoelectric effect, shape memory effect, dan photochromic effect. Dalam artikel ini pembahasan akan lebih difokuskan tentang salah satu material pintar yang memiliki photochromic effect, yaitu material yang sifatnya dapat berubah dari satu sifat ke sifat yang lain jika disinari dengan cahaya bergelombang tertentu. Ada banyak sekali contoh material yang memiliki sifat seperti ini, salah satunya adalah molekul azobenzene dan turunannya.

Azobenzene merupakan salah satu photochromic material yang cukup populer di dunia perangkat photo-electronic saat ini karena keunggulan sifat-sifatnya. Karena struktur azobenzene memiliki jembatan nitrogen, azobenzene memiliki dua kemungkinan konfigurasi, yaitu konfigurasi cis- dan konfigurasi trans-, di mana konfigurasi yang paling stabil adalah konfigurasi trans-. Struktur azobenzene ini dapat berubah dari konfigurasi trans- menjadi cis- jika disinari oleh cahaya bergelombang tertentu dan kembali ke konfigurasi trans- lagi jika disinari oleh cahaya bergelombang yang lain atau melalui pemanasan (Gambar 1).

Karena kemampuan azobenzene yang seperti inilah yang membuat molekul ini sangat digandrungi dan memiliki banyak aplikasi dalam kehidupan sehari-hari. Contohnya, material ini bisa digunakan sebagai sakelar listrik, otot buatan,  penggerak motor berukuran nano, hingga drug delivery. Tentu saja, penggunaan azobenzene tersebut tergantung untuk aplikasi apa sehingga mekanisme kerjanya berbeda-beda. Selanjutnya, kita akan membahas mekanisme kerja azobenzene yang digunakan sebagai sakelar arus listrik searah (DC) dan arus listrik bolak-balik (AC).

Aplikasi Azobenzene pada Sakelar arus DC

Perubahan sifat fisika yang dimanfaatkan untuk pembuatan sakelar arus DC adalah perubahan azobenzene dari konfigurasi trans- ke cis- yang diikuti dengan perubahan bentuknya (penelitian Pakula dkk, 2010). Trans-azobenzene berbentuk tipis dan panjang, sedangkan cis-azobenzene berbentuk besar dan pendek (Gambar 1).

Untuk membuatnya bekerja, perangkat sakelar ini dapat dibuat dengan cara terlebih dahulu membuat lapisan tipis  polimer yang mengandung molekul azobenzene. Polimer yang digunakan oleh Pakula dkk adalah polymethyl methacrylate (PMMA), sedangkan molekul yang digunakan adalah turunan azobenzene, yaitu 4′-hexyl-phenyl-[4(propyl-butoxy)-phenyl]-diazene (Gambar 2).  Lapisan tipis ini dibuat dengan menggunakan metode spin coating. Kemudian sebanyak satu lapisan emas diendapkan pada permukaan lapisan tipis  azobenzene-PMMA tadi, dan setelah itu lapisan emas ini dibiarkan masuk ke dalam matriks polimer melalui pemanasan sedikit di atas suhu transisi gelasnya (Tg). Jarak antarpartikel emas diatur sedemikian rupa, yaitu saat perkolasi arus terjadi sehingga perubahan sedikit saja jarak antar partikel emas mengakibatkan perubahan kuat arus listrik secara drastis.

Mekanisme kerja sakelar arus DC ini dapat dilihat pada Gambar 3. Molekul trans-azobenzene yang bentuknya tipis dan panjang hanya membutuhkan volume ruang yang sangat kecil di antara matriks polimer jika dibandingkan dengan molekul cis-azobenzene yang bentuknya besar dan pendek. Dengan demikian, pada saat matriks polimer masih mengandung trans-azobenzene, jarak antara rantai polimer yang satu dengan yang lainnya menjadi sangat berdekatan, dan demikian juga jarak antar partikel-partikel emas. Akibatnya, muatan listrik dapat mengalir dari partikel emas yang satu ke yang lain dengan cara meloncat (hopping) atau terobosan (tunneling). Inilah yang membuat sakelar berada dalam kondisi hidup (ON-state).

Jika sakelar disinari dengan cahaya ultraviolet (UV) dengan panjang gelombang 360 nm, molekul trans-azobenzene akan berubah konfigurasinya menjadi cis-azobenzene. Molekul cis-azobenzene ini mengakibatkan jarak antarrantai polimer ataupun  jarak antarpartikel emas menjadi berjauhan. Dan karena konsentrasi partikel emas hanya sebatas saat perkolasi terjadi, perubahan jarak ini dapat mengakibatkan penurunan kuat arus secara drastis (kondisi mati atau OFF-state). Sakelar kemudian dapat dihidupkan kembali dengan menyinari sampel menggunakan cahaya tampak (Vis) yang memiliki panjang gelombang 460 nm.

Dari rincian di atas, sepertinya prinsip pembuatannya tidaklah terlalu sulit. Yang membuatnya sulit dibuat adalah penentuan parameter yang optimal untuk menghasilkan perubahan arus listrik yang besar.  Misalnya, pemilihan turunan molekul azobenzene, ukuran nanopartikel emas dan fraksi volumenya (konsentrasinya) dalam polimer, pemilihan jenis polimer, serta cara deposisi emas ke dalam struktur polimer. Dalam penelitian Pakula dkk, perubahan arus listrik yang dihasilkan dengan metode ini sangat kecil, yaitu hanya kurang dari 1%.

Kemungkinan lain yang saat ini sedang dikembangkan adalah mengganti emas dengan carbon nanotube (CNT). CNT memiliki sifat yang sangat unik dibandingan material konduktor lain karena struktur karbonnya yang seperti sarang lebah, dan ukuran diameternya yang hanya beberapa nanometer namun panjangnya dapat mencapai beberapa dan bahkan ratusan mikrometer atau sering disebut dengan kawat berdimensi satu. Ini mengakibatkan efek mekanika kuantum menjadi sangat besar terhadap material ini dan membuatnya menjadi sangat sensitif terhadap perubahan lingkungan di sekitar CNT. Inilah yang membuat para peneliti percaya bahwa dengan menggunakan CNT, perubahan arus dapat menjadi lebih besar dibandingkan dengan menggunakan nanopartikel metal.

Mekanisme kerja sakelar dengan menggunakan CNT berbeda-beda, yaitu melalui perubahan volume, perbedaan momen dipol, dan transfer muatan. Meskipun telah banyak penelitian dilakukan untuk aplikasi ini, optimasi performa sakelar yang memanfaatkan sifat gabungan CNT dan azobenzene masih dalam tahap pengembangan.

Aplikasi Azobenzene pada Sakelar arus AC

Sakelar arus AC yang memanfaatkan sifat azobenzene telah diteliti oleh Zaporojtchenko dkk (2010). Perubahan sifat fisika yang digunakan untuk pembuatan sakelar listrik arus AC ini adalah perubahan azobenzene dari konfigurasi trans- ke konfigurasi cis- dengan diikuti perubahan momen dipolnya. Momen dipol trans-azobenzene adalah 0,5 D sedangkan momen dipol cis-azobenzene adalah sektiar 3 D (Gambar 1).

Sakelar ini dibuat melalui pembuatan 2 lapisan konduktor metal yang di antaranya terdapat lapisan tipis polimer PMMA yang didoping dengan molekul azobenzene sebanyak 50 wt % yang bertindak sebagai lapisan dielektrik. Pada kondisi mati (OFF-state), yaitu ketika azobenzene memiliki konfigurasi trans-, bentuk momen dipolnya yang isotropis (yaitu sekitar 0,5 D) mengakibatkan hanya sebagian kecil muatan listrik dialirkan dari satu ke elektroda berikutnya. Ketika perangkat ini disinari dengan cahaya UV, yang mengakibatkan perubahan trans-azobenzene menjadi cis-azobenzene, momen dipol cis-azobenzene yang lebih besar mengakibatkan molekul ini terpolarisasi sehingga sebagian besar muatan listrik yang datang dari satu elektroda dapat dialirkan ke elektroda lain (sakelar dalam keadaan hidup atau ON-state). Sakelar yang dibuat dengan cara seperti ini dapat menghasilkan perubahan listrik yang sangat besar, yaitu dapat mencapai 50%.

Demikianlah cara para peneliti memanfaatkan sifat-sifat unggul suatu smart material (material pintar) untuk merancang dan mengembangkan teknologi baru yang nantinya dapat dimanfaatkan bagi manusia. Mudah-mudahan tulisan singkat ini dapat memberikan inspirasi bagi para calon peneliti muda di Indonesia untuk berpartisipasi dalam pengembangan ilmu dan teknologi smart material (material pintar) untuk kemajuan di masa depan.

Bahan bacaan:

• C. Pakula, V. Zaporojtchenko, T. Strunskus, D. Zargarani, R. Herges, and F. Faupel, Nanotechnology 21, 465201 (2010).
• M. Del Valle, R. Gutierrez, C. Tejedor, and G. Cuniberti, Nature Nanotechnology 38, 176 (2007).
• Y. Feng, X. Zhang, X. Ding, and W. Feng, Carbon 48, 3091 (2010).
• J. M. Simmons, I. In, V. E. Campbell, T. J. Mark, F. Leonard, P. Gopalan, and M. A. Eriksson, Phys Rev. Lett. 98, 086802 (2007).
• V. Zaporojtchenko, C. Pakula, S. W. Basuki, T. Strunskus, D. Zargarani, R. Herges, and F. Faupel, Applied Physics A 102, 421 (2010).

Penulis:
Sri Wahyuni Basuki, mahasiswi S3 di Universitas Kiel, Jerman.
Kontak: sriwahyunibasuki(at)yahoo(dot)com.