Berbagi pengetahuan, dari mana saja, dari siapa saja, untuk semua

Carbon Nanotubes: Material Cerdas untuk Teknologi Masa Depan

Teman-teman tentu tidak asing lagi dengan material yang disebut karbon, karena material ini dengan mudah kita temukan dan sangat berguna dalam kehidupan kita. Selain arang, sebut saja salah satu contoh lain dari penampakan material karbon adalah grafit, yang merupakan bahan utama dari pensil. Contoh lain adalah intan atau berlian yang sangat kita kenal sebagai perhiasan. Akan tetapi, berbeda dengan dua material karbon tersebut, material yang dikenal dengan nama carbon nanotubes (CNT) ini mungkin masih asing di telinga kita, karena belum banyak diproduksi dalam skala besar dan harganya yang masih sangat mahal.

Berbagai macam alotrop (bentuk nyata) dari material karbon.

Berbagai macam alotrop (bentuk nyata) dari material karbon.

Material CNT hingga saat ini sangat banyak diteliti di berbagai bidang: fisika, kimia, ilmu material, bahkan bioteknologi (multidisciplinary). Material ini dianggap sebagai material cerdas masa depan dikarenakan sifat-sifat dan aplikasinya yang sangat luar biasa. Bahkan ilmuwan Italia, Nicola M. Pugno dalam salah satu artikelnya pada tahun 2006 menyatakan bahwa CNT dapat dipertimbangkan sebagai material ideal untuk membuat elevator luar angkasa (“space elevator”) dengan fleksibilitasnya dan kekuatannya yang sangat luar biasa melebihi kekuatan baja.

Konsep space elevator menggunakan kabel yang berbasis carbon nanotubes (Sumber gambar: http://www.nanooze.org/english/articles/nanoquest_spaceelevator.html dan http://www.tested.com/science/453183-theres-great-future-carbon-nanotubes/)

Konsep space elevator menggunakan kabel yang berbasis carbon nanotubes (sumber gambar: http://www.nanooze.org/english/articles/nanoquest_spaceelevator.html dan http://www.tested.com/science/453183-theres-great-future-carbon-nanotubes/).

Definisi Carbon Nanotube (CNT)

CNT dan juga induknya, graphene dan grafit, merupakan material yang berasal dari susunan atom carbon yang berhibridisasi sp2 dan berikatan satu sama lain secara heksagonal membentuk struktur sarang madu (honeycomb). Berbeda dengan grafit yang berisi tumpukan graphene, CNT merupakan graphene yang tergulung membentuk suatu silinder berukuran nanometer. Pola atau cara menggulung graphene itu disebut dengan kiralitas (chirality). Diameter dari CNTs berkisar antara 0,4-2,5 nanometer dengan panjangnya dapat lebih dari 10 milimeter. Material CNT ini ditemukan oleh seorang professor fisika dari Jepang, Sumio Iijima, pada tahun 1991.

Lembaran graphene yang digulung dengan arah dan diameter yang berbeda akan menghasilkan CNT yang mempunyai struktur elektronik berbeda. Oleh karena itu, keunikan sifat-sifat CNT terletak pada strukturnya yang spesial, dalam artian bahwa dalam sebuah CNT secara individu bisa bersifat logam (metallic) atau semikonduktor, hanya tergantung pada diameter dan kiralitasnya. Sifat-sifat ini ditentukan oleh struktur geometri dari CNTs yang bergantung dari arah gulungan lembaran graphene, sama halnya jika kita bayangkan proses menggulung kertas. Arah yang berbeda dalam menggulung lembaran graphene menentukan struktur ikatan heksagonal dari CNTs.

Secara matematis, penentuan geometri CNTs atau kiralitas didefinisikan dalam istilah vektor kiral. Vektor ini menentukan arah dari gulungan lembaran graphene, yang diindikasikan dengan nilai indeks (n,m). Ada tiga bentuk struktur geometri dari CNTs, yang menunjukkan perbedaan kiralitas, yaitu armchair (n,n), zigzag (n,0), dan selainnya adalah chiral. Berdasarkan teori dan juga pengukuran sifat optis masing-masing CNT, struktur armchair bersifat logam (metallic), sedangkan zigzag dan chiral bisa bersifat logam atau semikonduktor tergantung pada nilai indeksnya.

Arah gulungan yang berbeda dari lembaran graphene menentukan struktur geometri CNTs berbeda: (a) armchair, (b) zigzag, dan (c) chiral.

Arah gulungan yang berbeda dari lembaran graphene menentukan struktur geometri CNTs berbeda: (a) armchair, (b) zigzag, dan (c) chiral.

Lebih lanjut, ada dua jenis CNT jika dibedakan berdasarkan jumlah dindingnya, yaitu CNT berdinding tunggal (single wall carbon nanotubes) yang sering disingkat SWNT dan CNT berdinding banyak (multi wall carbon nanotubes), disingkat MWNT. Penelitian mengenai SWNT lebih banyak diarahkan kepada aplikasi material ini untuk pembuatan berbagi perangkat elektronika baru. Sementara itu, penelitian untuk MWNT diarahkan untuk material superkuat.

Dua jenis CNT berdasarkan jumlah lembar dinding penyusunnya: single wall carbon nanotubes (SWNT) dan multi wall carbon nanotubes (MWNT).

Dua jenis CNT berdasarkan jumlah lembar dinding penyusunnya: single wall carbon nanotubes (SWNT) dan multi wall carbon nanotubes (MWNT).

Cara membuat carbon nanotubes

Metode pancaran elektroda (Arc Discharge)

Metode ini awalnya digunakan untuk memproduksi fullerene, yang diperkenalkan oleh professor Iijima tahun 1991. Dalam teknik ini, uap karbon dihasilkan oleh lecutan listrik  di antara dua elektrode karbon yang sudah dilapisi katalis logam seperti besi maupun nikel. Dengan pengaturan tekanan dan katalis secara hati-hati, akan diperoleh CNT berdinding tunggal maupun yang berdinding banyak.

Skema dari metode pancaran elektrode. (http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Arc_discharge_nanotube.png)

Skema dari metode pancaran elektrode. (http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Arc_discharge_nanotube.png)

Metode pencahayaan kuat oleh laser (Laser ablation)

Metode ini dilaporkan pertama kali oleh Richard Smalley, salah satu peraih nobel kimia, pada tahun 1995. Dalam teknik ini, digunakan sebuah sinar laser berdaya tinggi yang mengenai grafit dalam tungku bersuhu tinggi. Sebelum ditembak oleh laser, grafit tersebut haruslah dilapisi logam katalis. Metode ini bisa menghasilkan CNT berdinding tunggal yang memiliki diameter cukup besar untuk ukuran CNT, yaitu > 1.2 nanometer.

Skema dari metode pencahayaan kuat.

Skema dari metode pencahayaan kuat.

Metode Chemical Vapor Deposition (CVD)

Metode ini adalah metode yang paling banyak digunakan dalam sintesis CNT. Sintesis dicapai melalui pemecahan molekul karbon gas seperti metana, karbon monoksida dan asetilen menjadi karbon atom reaktif di dalam tungku bersuhu tinggi, dan kadang-kadang dibantu dengan plasma untuk meningkatkan pembentukan karbon atom. Karbon kemudian akan berdifusi menuju substrat yang dilapisi partikel katalis. Salah satu proses CVD terbaik untuk penumbuhan CNT adalah proses CoMoCAT yang menggunakan proses pemecahan karbon monoksida dan dibantu oleh penggunaan katalis kobalt dan molibdenum. Proses CoMoCAT menghasilkan banyak CNT yang cenderung memiliki diameter hampir seragam.

Skema metode CVD untuk sintesis CNT: (a) thermal CVD, (b) plasma-enhanced CVD (http://www.fy.chalmers.se/atom/research/nanotubes/experimental.xml)

Skema metode CVD untuk sintesis CNT: (a) thermal CVD, (b) plasma-enhanced CVD (http://www.fy.chalmers.se/atom/research/nanotubes/experimental.xml)

Aplikasi CNT

Sifat unggul yang dimiliki CNT adalah pada sifat listriknya karena bisa bersifat logam maupun semikonduktor. Selain itu, dimensi yang kecil karena ukuran nanometer, area permukaan yang luas, kekuatan mekanik yang sangat tinggi, massa jenis yang rendah sehingga sangat fleksibel, membuat CNT menjadi material cerdas masa depan yang sangat banyak potensi untuk diaplikasikan di berbagai bidang teknologi, seperti nanoprobes, sensor, elektroda pada baterai litium, peralatan elektronik (field-effect transistor dan superkapasitor), penyimpanan hidrogen, katalis dan elektroda fuel-cell, material komposit superkuat, lapisan tipis, hingga kapsul untuk pengiriman obat-obatan langsung ke sel.

Beberapa aplikasi CNT. Sumber gambar 1-2: Ajayan dan Zhou, Topics Appl. Phys. 80, 391–425 (2001), Sumber gambar 3-5: De Volder dkk, Science 339, 535 (2013); Gambar 6 diambil dari Nanointegris.

Bahan bacaan:

Penulis:
Murni Handayani, Peneliti LIPI, saat ini sedang melanjutkan studi di Osaka University, Jepang.
Kontak: murnie_h(at)yahoo(dot)com.