Disable Preloader

Berita

03 Juli 2018

Grafin dan carbon nanotube, material cerdas dari sebatang pensil

Oleh : Dr. Eddwi Hesky Hasdeo

Karbon merupakan zat yang sering kita jumpai dalam hidup kita sehari-hari. Ia bersama kita saat kita beraktivitas, ia ada dalam makanan yang kita makan, dan bahkan ia menyusun tubuh kita. Dalam bentuk zat padat, karbon dapat memiliki struktur yang teratur, disebut juga dengan kristal. Dua contoh kristal karbon adalah grafit, si hitam nan rapuh yang biasanya kita temui di dalam pensil, dan intan, si cantik nan perkasa yang sanggup memotong bongkahan logam mulia.

Walaupun kedua kristal itu memiliki komposisi dasar yang sama, yaitu atom karbon, struktur atom karbon pada kristal grafit dan intan berbeda. Pada grafit, atom karbon tersusun dalam bentuk lembaran dua dimensi (2D) yang berlapis-lapis, disebut dengan heksagonal planar. Gaya ikat antar atom-atom karbon dalam satu lembar yang sama sangat kuat, namun gaya ikat antara lapisan yang satu dan yang lainnya sangat lemah, itulah yang menyebabkan grafit begitu rapuh. Lemahnya ikatan antar lapisan grafit menandakan bahwa elektron di dalam grafit dapat bergerak bebas. Hal inilah yang menyebabkan grafit memiliki sifat penghantar (konduktor) listrik yang baik. Lain halnya dengan intan, dimana elektron-elektron dalam intan terkurung ke dalam kisi 3D  yang kompak. Hal ini yang menyebabkan intan menjadi material 3D terkuat tetapi menjadi penghantar listrik yang buruk (isolator).

Kemudian muncul pertanyaan di dalam benak para peneliti karbon ini. Dapatkah kita menggabungkan sifat konduktif dari grafit dengan sifat kuat intan ke dalam satu material? Tentu saja jawabannya adalah ya. Ide dasarnya adalah dengan menguliti lembaran-lembaran grafit hingga tersisa satu lembar dengan tebal satu atom, yang dikenal dengan sebutan grafin. Andre Geim dan Kostya Novoselov mendapatkan hadiah nobel tahun 2010 berkat keberhasilan mereka mendapatkan satu lembar grafin dengan hanya bantuan selotip!

Dengan membuat selembar grafin, ikatan antar atom karbon tetap kuat. Bahkan dengan mebuatnya hanya selembar, elektron yang awalnya berinteraksi dengan lembar grafin lain kini bebas bergerak dan berdasarkan teori, elektron tersebut memiliki massa efektif nol yang artinya mampu bergerak dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya () [1].

Oleh karena fenomena fisis yang unik tersebut, grafin menjadi super-material yang membuka peluang begitu lebar dalam revolusi sains dan teknologi di dunia. Grafin menjadi material paling tipis yang pernah ada, dengan ketebalan 0.335 nm, yang  membuatnya sangat ringan dan transparan. Hambatan jenis (resistivitas) listrik grafin memecahkan rekor perak, yaitu sekitar 35% lebih rendah, menjadikannya material dengan hantaran listrik tercepat [2].  Secara dramatis, kekuatan mekanis grafin mengalahkan saudara tuanya, intan dan 100 kali lebih kuat daripada baja untuk ketebalan yang sama. Dan secara termal, konduktivitas panasnya dua kali lipat lebih tinggi dibandingkan konduktivitas panas intan atau 80 kali lipat lebih tinggi daripada tembaga.

Namun demikian, grafin seorang diri tak mampu memuaskan kebutuhan teknologi dunia. Kelemahannya adalah grafin tidak mempunyai gap energi. Gap energi ini memisahkan tingkat energi rendah (valensi), yaitu saat elektron terikat (bonding), dan tingkat energi tinggi (konduksi) saat elektron bebas (antibonding). Dengan tidak adanya gap energi, elektron akan langsung berpindah dari tingkat valensi ke tingkat konduksi berapapun energi yang diberikan padanya. Namun dengan adanya gap energi, elektron tidak akan berpindah ke level konduksi bila energi yang diberikan lebih kecil dibanding gap energi  tersebut. Ide dasar inilah yang mendasari mekanisme switching pada sistem digital. Material yang memiliki gap energi yang cukup kecil (~1 eV) sehingga hanya dibutuhkan sedikit energi untuk memindahkannya dari tingkat valensi ke tingkat konduksi disebut semikonduktor.

Salah satu cara untuk membuat grafin menjadi semikonduktor adalah dengan menggulungnya hingga menjadi tabung yang disebut dengan karbon nanotube [3].  Menariknya, dengan “mengubah-ubah cara menggulung grafin menjadi tabung”, karbon nanotube memiliki properti elektronik yang berbeda-beda. Prediksi teori adalah 1/3 nanotube adalah konduktor dan 2/3 lainnya semikonduktor. Pada nanotube semikonduktor, gap energi nya dapat divariasi dari 0 hingga 1 eV hanya dengan memvariasi diameternya [4].  Karbon nanotube merupakan material tiada duanya karena sifat elektroniknya yang hanya bergantung pada bentuk geometrisnya.

                                          grafin

Aplikasi grafin dan nanotube di dunia nanoteknologi antara lain: transistor sebagai bahan dasar integrated circuit, alat olahraga, bahan campuran material komposit, sel surya, baterai, display fleksibel, kabel, armor, dan masih banyak aplikasi lainnya. Di kemudian hari, kita akan menjumpai perangkat gadget setebal kertas dengan layar yang dapat kita tekuk-tekuk, kendaraan bermotor super ringan hingga dapat terbang, dan robot super kecil yang dapat kita masukkan ke tubuh manusia. Semuanya berawal dari sebatang pensil.

 

Daftar Pustaka :

[1] K.S Novoselov et al. S-200 (2005) 

[2] “Physicists Show Electrons Can Travel More Than 100 Times Faster in Graphene”, http://www.newsdesk.umd.edu/scitech/release.cfm?ArticleID=1621

[3] Tentu saja dalam kenyataannya pembuatan karbon nanotube tidak literally dengan menggulung grafin, tetapi salah satu caranya adalah dengan memanaskan atom-atom carbon hingga menjadi uap kemudian mencetaknya menjadi nanotube yang disebut dengan chemical vapor deposition. http://en.wikipedia.org/wiki/Chemical_vapor_deposition

[4] R. Saito et al. “Physical properties of carbon nanotubes”, Imperial College Press (London).