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

Material yang Memperbaiki Dirinya Sendiri

Tergores, terluka, atau apapun sebutannya menjadi hal yang lumrah bagi manusia. Entah itu terjadi pada fisiknya, hatinya, atau barang yang dimiliki. Beruntungnya, seringkali kita bisa duduk dengan santai melihat luka yang terjadi pada kulit kita, lalu luka tersebut akan hilang dengan sendirinya (meskipun perlu waktu beberapa hari). Sayangnya, hal tersebut tidak dapat terjadi pada hati dan barang-barang di sekitar kita.

Namun, bisa jadi apa yang disebutkan di atas akan segera menjadi kisah lama, setidaknya untuk masalah barang atau komponen yang rusak. Para peneliti belakangan mulai mengembangkan material yang mampu memperbaiki dirinya sendiri bila terjadi kerusakan. Material ini kerap disebut sebagai self-healing materials. Misalnya, beton yang menutup retak sendiri atau logam yang dapat kembali ke bentuk awal setelah dibentuk.

Secara umum, semua material atau bahan sintetis yang dapat memperbaiki kerusakannya sendiri tanpa campur tangan manusia saat proses perbaikan tersebut dapat kita sebut self-healing materials. Self-healing materials dapat berupa keramik, kayu, polimer, hingga logam, selama material tersebut dapat menutup kerusakan yang terjadi pada dirinya.

Pada dasarnya, semua material yang kita gunakan dapat mengalami masa habis dan tidak bisa digunakan lagi karena beberapa hal. Salah satu hal tersebut adalah adanya kerusakan seperti patah atau retak (atau luka dalam kasus tubuh manusia) akibat gaya dari luar. Kerusakan ini perlu dideteksi segera agar dapat dilakukan perbaikan sehingga tidak menimbulkan kerusakan yang lebih parah.

Sebenarnya, kerusakan seperti retakan kecil pada suatu komponen dapat dideteksi keberadaannya menggunakan pengujian nondestruktif. Namun, deteksi kerusakan ini hanya dapat dilakukan saat benda tidak digunakan atau saat proses inspeksi berkala. Sedangkan dalam beberapa kasus,  awal kerusakan dapat terjadi pada saat penggunaan.

Dengan durasi penggunaan yang lama, kerusakan yang terjadi akan semakin besar. Hal ini dapat berakibat fatal seperti pada kasus kecelakaan pesawat terbang (kita tentunya tidak mungkin memperbaiki sayap retak saat sedang terbang). Oleh karena itu, para peneliti material berpikir untuk membuat material yang dapat memperbaiki kerusakan dengan sendirinya seperti yang terjadi pada tubuh manusia.

Sejauh ini, peneliti telah menciptakan beberapa tipe self-healing materials. Tipe yang dimaksud di sini berkaitan dengan cara material tersebut memperbaiki kerusakan. Kita akan sedikit bahas jenis self-healing materials ini.

Material dengan healing agent (bahan perbaikan) tertanam di dalamnya

Secara umum, material tipe ini melakukan perbaikan dengan cara menutup kerusakan menggunakan healing agent, menyerupai cara tubuh kita menutup luka. Terdapat dua metode yang dapat digunakan, yakni menggunakan mikro kapsul dan mikrovaskular.

Pada metode dengan mikrokapsul, healing agent dimasukkan ke dalam kapsul berukuran mikro yang ditempatkan di dalam material. Saat retak terjadi, kapsul akan pecah dan melepas healing agent untuk mengisi retakan. Reaksi antara healing agent dan katalis tertentu akan menutup retakan tersebut  seperti ditunjukkan pada gambar berikut.

Skema self-healing dengan metode mikrokapsul yang ditanam ke dalam material. Sumber: www.bbc.com/news/science-environment-19781862

Berbeda dengan mikrokapsul, metode mikrovaskular menggunakan prinsip yang sama dengan  peredaran darah. Pada metode ini, healing agent ditempatkan di dalam reservoir-reservoir bertekanan (pressured reservoirs) yang dilengkapi hollow fiber yang bertindak seperti pembuluh darah. Saat kerusakan terjadi, healing agent akan mengisi bagian yang retak akibat adanya perbedaan tekanan antara resevoir dan retakan (sama prinsipnya dengan darah yang memancar).

Skema self-healing dengan metode mikrovaskular menyerupai pembuluh darah manusia. Sumber: www.bbc.com/news/science-environment-19781862

Self-healing materials dengan mengingat bentuk

Secara singkat, material pengingat bentuk merupakan material yang bila diberi gaya dari luar akan berubah bentuk, namun akan kembali ke bentuk semula bila diberi pemicu seperti panas atau cahaya. Salah satu contoh material ini adalah paduan nikel dan titanium yang disebut Nitinol, biasa digunakan untuk frame kacamata.

Metode perbaikan diri material tipe ini pada dasarnya hampir sama prinsipnya dengan metode mikrovaskular, yakni dengan memasang serat optik yang akan menyalurkan laser. Saat terjadi penyok (atau dalam bahasa ilmiah, deformasi plastis), laser yang berada di dalam laser optik akan keluar dan akan memicu material untuk kembali ke bentuk semula. Secara teoretis, metode ini memungkinkan digunakan untuk aplikasi body mobil.

Polimer reversibel

Pada tipe ini, material yang biasa digunakan adalah polimer termoplast seperti PVC, Polietilen, dan Polipropilen. Polimer merupakan rantai panjang gabungan dari monomer-monomer. Saat terjadi kerusakan, rantai ini akan terputus.  Kemudian ketika menerima panas yang cukup, sebagian rantai akan berubah menjadi monomer-monomer, dan akan menyatu kembali menjadi rantai polimer saat didinginkan sehingga kerusakaan tertutupi.

Perkembangan terbaru

Saat ini, sudah beberapa prototipe self-healing materials telah berhasil dibuat. Peneliti dari TU Delft telah berhasil membuat beton yang mampu menutupi retak dengan sendirinya. Pada beton tersebut, dimasukkan sejumlah bakteri yang tidak merugikan beserta makanan bakteri tersebut. Saat terjadi retakan, air yang masuk akan menghidupkan bakteri untuk memakan makanannya. Bakteri tersebut kemudian akan mengeluarkan batu kapur yang akan menutupi retakan pada beton. Pengaplikasian beton ini dapat digunakan untuk infrastruktur yang kritis seperti jembatan dan rig.

Beton yang ditambahkan dengan bakteri penghasil kapur. Sumber: www.bbc.com/news/science-environment-19781862

Selain itu, penggunaan material polimer yang dapat memperbaiki diri telah sampai pada tahap komersial. Material polimer ini digunakan sebagai bahan pelapis (coating) baik untuk wind turbin, pipa minyak dan gas, transportasi, maupun untuk keperluan infrastruktur. Kebanyakan metode self-healing yang digunakan untuk skala komersial ini adalah metode mikrokapsul.

Aplikasi Self-Healing Polymer untuk keperluan pelapis. Sumber: http://www.autonomicmaterials.com/applications/

Meskipun masih jauh dari tahap siap guna, penelitian tentang komposit polimer berpenguat serat yang mampu memperbaiki kerusakan sendiri telah banyak dilakukan. Baik peneliti dari University of Birmingham, University of Illinois, maupun universitas lainnya telah banyak melakukan pengembangan. Dengan begitu diharapkan nantinya material komposit ini dapat digunakan sebagai badan pesawat agar mengurangi angka kecelakaan pesawat terbang.

Bahan bacaan:

Penulis:
Iskandar Zulkarnain, alumnus Teknik Material ITB, Bandung.