KARBON NANOTUBE (CNT)_Pembuatan, aplikasi dan Perkembangannya

I.PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Sain dan teknologi pada abad yang akan datang dipastikan akan terfokus secara serius pada pengembangan material baru, yakni material cerdas atau smart/intelegent materials. Material  disebut sebagai material cerdas jika mempunyai satu atau beberapa sifat yang dapat berubah secara terkontrol  oleh stimulus atau rangsangan dari luar. Sifat-sifat penting dari material tersebut antara lain berhubungan dengan bentuk, dimensi, sifat listrik, sifat megnetik, sifat optis dan konformasi. Sementara itu penyebab perubahan sifat –sifat atau stimulus tersebut antara lain : suhu, kelembaban, pH, medan listrik, medan magnet, dan tekanan mekanis.

Dalam beberapa perspektif, material cerdas merupakan jawaban atas masalah-masalah kontemporer. Dengan terbatasnya sumberdaya (resources), material cerdas diharapkan dapat meningkatkan keberlanjutan (sustainability) dari suatu barang melalui perbaikan efesiensi, kinerja, dan performanya.

Beberapa jenis material cerdas diantaranya : material piezoelektrik, Shape Memory Alloy (SMA), electrochromic material, smart gel, magnetostrictive material, Rheological material, Photodinamyc material, dan Carbon nanotube khusus jenis material ini akan dibahas lebih mendalam dalam karya ilmiah ini ^[1].

         Gambar: Struktur tiga dimensi Carbon nanotube

Kesadaran terhadap ilmu dan teknologi nano di dunia akademik dan industri dimulai dengan pandangan inspiratif dan visioner oleh ilmuwan fisika dan penemuan alat-alat karakterisasi, dan bahan berskala nano.  Pada tahun 1981, dua peneliti IBM, Gerg K Binnig dan Heinrich Rohrer (pemenang nobel Fisika th 1986) menemukan scanning Tunneling Microscope (STM) yang memungkinkan pengamatan topografi permukaan dengan format atom-demi- atom. Pada akhirnya penemuan bahan C60 buckminsterfullerene oleh H.W. Kroto ^[2]. Dan karbon nanotube (CNT) oleh Sumio Ijima semakin meningkatkan kesadaran masyarakat akademik, industri, dan pemerintahan untuk lebih serius mengembangkan  ilmu dan teknologi nano ^[3].

1.2   Permasalahan

Beberapa permasalahan yang akan dibahas dalam karya ilmiah ini diantaranya :

1. Metode Pembuatan Carbon nanotube?
2. Karakterisasi  CNT?
3. Pemanfaatan dan Potensi CNT?

1.3   Tujuan

Melalui penyusunan karya ilmiah dengan metode deskriptif kualitatif yaitu dengan melakukan survei terhadap dokumen-dokumen sekunder (tulisan ilmiah, laporan resmi, dan halaman website) untuk mendeskripsikan secara umum ilmu dan teknologi nano terutama Carbon nanotube (CNT) dilihat dari aspek definisi, ruang lingkup, pembuatan, karakterisasi dan potensinya diharapkan mampu mencapai tujuannya dalam penulisan karya ilmiah ini yaitu memberikan pengenalan kepada pembaca perihal ilmu dan teknologi nano, terutama Carbon nanotube.

1.4    Manfaat

Penyusunan karya ilmiah ini diharapkan dapat memberikan manfaat berupa informasi tentang perkembangan ilmu pengetahuan terutama dibidang kimia material dan diharapkan juga mampu menjadi bahan rujukan dan referensi terutama bagi mahasiswa dalam proses pembelajaran.

II.   TINJAUAN PUSTAKA

 

2.1 Defenisi  Ilmu Nano  Teknologi Nano dan Carbon nanotube (CNT)

Ilmu nano adalah studi fenomena dan manipulasi bahan pada skala atom, molekul dan makro molekul, dimana sifat-sifat bahan sangat berbeda dibandingkan bahan tersebut pada skala yang lebih besar  ^[2,4]. Teknologi nano  dapat didefenisikan sebagai  bidang-bidang teknologi dimana dimensi dan toleransi pada skala nano memainkan peranan penting , teknologi nano meliputi pencitraan, pemodelan, pengukuran,fabrikasi dan manipulasi sesuatu pada skala nano . Secara umum terdapat 3 kriteria produk nano : (a) Dapat dibeli oleh konsumen, (2) Diidentifikasi oleh manufaktur atau sumber lain, (c) Klaim terhadap produk nano kelihatan layak.

Pada tahun 1985, Richard E Smalley, Robert F Curl, Jr (keduanya dari Rice University, Houston, Amerika Serikat), dan Sir Harold W Kroto (dari University of Sussex, Brighton, Inggris) menemukan struktur karbon murni yang tersusun atas 60 atom karbon (C₆₀) ^[5]. Penemuan ini cukup menarik mengingat selama ini hanya ada dua bentuk unsur karbon murni yang dikenal: grafit dan intan. Struktur C₆₀ tersebut di beri nama buckminsterfullerene atau disebut juga bucky ball.  Nama ini dipilih karena strukturnya menyerupai bangunan berkubah seperti bola yang dirancang oleh seorang arsitek Amerika Serikat, R Buckminster Fuller untuk World Exhibition 1967 di Montreal, Kanada ^[5]. Penemuan yang dipublikasikan dalam jurnal Nature pada tanggal 14 November 1985 ini mengantarkan mereka memperoleh hadiah Nobel Kimia pada tahun 1996. Dalam  perkembangan berikutnya, molekul C₆₀ ini lebih dikenal dengan nama fullerene  dan digunakan pula untuk untuk menamai molekul-molekul serupa yang ditemukan sesudahnya, seperti C₇₀, C₇₄, dan C₈₂ ^[6]. Penemuan fullerene ini kemudian memicu ditemukannya material baru bernama carbon nanotube (CNT). Struktur CNT mirip dengan fullerene. Bedanya, atom-atom karbon pada fullerene membentuk struktur seperti bola, sedangkan CNT berbentuk silinder yang tiap ujungnya ditutup oleh atom-atom karbon yang berbentuk setengah struktur fullerene ^[6]. Struktur CNT pertama kali ditemukan oleh Sumio Iijima dari NEC Laboratories di Jepang ^[3,6].

Berdasarkan jumlah dindingnya, CNT secara umum dapat dikelompokkan menjadi dua macam, yaitu CNT berdinding tunggal (single-walled CNT atau SWNT) dan CNT berdinding banyak (multi-walled CNT atau MWNT). Sifat-sifat CNT yang luar biasa itu kemudian dapat diturunkan secara spesifik dengan menganalisis lembaran penyusun dinding tersebut, yaitu graphene (grafit berbentuk lembaran) yang digulung menjadi silinder.Ada banyak cara untuk menggulung lembaran graphene menjadi sebuah CNT, persis seperti ketika kita ingin menggulung selembar kertas. Arah dari penggulungan lembaran tersebut akan menentukan arah ikatan heksagonal pada CNT, yang kemudian sangat menentukan sifat listrik CNT dengan geometri tersebut. Untuk mengkarakterisasi sebuah CNT dengan geometri tertentu, diberikan parameter bilangan bulat (n, m), yang disebut dengan vektor chiral. Panjang dari vektor chiral ini akan menjadi keliling CNT, yaitu bagian panah vektor harus bertemu dengan bagian ekornya ketika diputar menjadi lingkaran ^[7].

Silinder yang dibentuk dikarakterisasi berdasarkan diameter dan sudut kiralnya (chiral angle), atau oleh nilai indeks (n,m) (Gambar 3). Struktur CNT bernilai  indeks (n,0) disebut struktur zigzag. Jika nilai indeksnya (n,n), strukturnya disebut struktur armchair. Struktur- struktur lainnya disebut struktur intermediate  (antara zigzag dan armchair) ^[8].

2.2      Karakteristik dan Langkah pembentukan CNT

Sifat  elektrik,  molekul,  dan  struktur  karbon  nanotube      ditentukan struktur  satu dimensinya. Beberapa sifat penting karbon nanotube adalah ^[7,9]:

(a)    Reaktifitas kimia

Reaktifitas kimia CNT akan meningkat sebanding dengan kenaikan arah kurvatur  permukaan  karbon nanotube. Oleh  karena itu, reaktifitas  kimia pada bagian dinding karbon nanotube akan  sangat  berbeda dengan  bagian  ujungnya.  Diameter  karbon nanotube yang  lebih  kecil akan meningkatkan  reaktivitas.

(b)   Sifat listrik dan Konduktivitas elektrik

Karbon  nanotube dengan  diameter  yang  lebih kecil  dapat  menjadi  semi  konduktor  atau menjadi metalik tergantung pada vektor khiral. Perbedaan  konduktifitas  ini  disebabkan  oleh struktur molekul.

Berdasarkan teori zat padat, para fisikawan berhasil memperoleh fakta bahwa CNT memiliki kelakuan listrik yang “ganda”, yaitu sebagai logam atau semikonduktor. Jika (n–m)/3 merupakan bilangan bulat, maka CNT bersifat logam, sedangkan jika (n–m)/3 bukan bilangan bulat, maka CNT bersifat semikonduktor. Menarik sekali karena ternyata kemampuan hantaran listrik CNT, apakah sebagai logam atau semikonduktor, hanya bergantung pada geometrinya.

Gambar : Geometri CNT

Keunikan sifat listrik CNT pada dasarnya merupakan ‘turunan’ sifat dari struktur elektronik yang tidak biasa dari graphene dengan ikatan karbon sp². Graphene memiliki keadaan yang mampu menghantarkan listrik dengan tingkat energi yang ada di perbatasan struktur elektronik. Keadaan ini biasa disebut zero bandgap semiconductor atau semimetal karena bersifat logam (konduktor) pada arah tertentu dan semikonduktor pada arah lainnya.

(a)    Kekuatan mekanik

Karbon nanotube mempunyai  modulus Young  yang  sangat  besar  pada  arah  aksialnya.  Nanotube                 menjadi  sangat  fleksibel  karena ukurannya  yang  panjang.  Karbon  nanotube sangat  potensial  untuk  aplikasi  material  komposit sesuai dengan kebutuhan.

Langkah-langkah pembentukan CNT tidak diketahui secara pasti. Mekanisme pertumbuhan masih menjadi subyek kontroversi dan lebih dari satu mekanisme yang berjalan selama pembantukann CNT. Salah satu mekanisme menyebutkan bahwa CNT terbentuk dalam 3 langkah (Laurent dkk,1998). Pertama sebuah percusor pembentuk CNT dan fullerenes C₂terbentuk  pada  permukaan  partikel  katalis logam. Partikel karbida metastabil ini kemudian  membentuk  karbon  batang  secara cepat. Selanjutnya terjadi pembentukan dinding CNT secara perlahan.

Proses  pertumbuhan  karbon  nanotube  telah banyak  dipelajari  baik  untuk  SWNT  (Lee, dkk.,  1997  dan  Murakami,  dkk.,  2004)  dan MWNT  (Kwon,  1997)  Kondisi  secara  tepat tergantung pada teknik yang digunakan dalam pembantukan CNT. Namun pertumbuhan secara umum sama untuk semua teknik.

III.        PEMBAHASAN

3.1  Beberapa Teknik  Pembuatan/sintesis CNT

CNT  dapat diperoleh dari 3 teknik yaitu [7] :

(a)    Pancaran  elektroda

Dilakukan  dengan  melewatkan  uap  di  antara dua elektroda karbon yang umumnya menghasilkan CNT impuritas yang tinggi (Takikawa,  dkk.,  2006).

(b)    Teknik pencahayaan laser (laser ablation)

Dapat  menghasilkan  karbon nanotube   yang  bersih  namun  mahal  (Guo, dkk.,  1995).

(c).  Chemical  Vapour  Deposition  (CVD)

Metode ini merupakan metode yang paling  mudah  dilakukan, namun impuritas yang dihasilkan cukup rendah. Impuritas  dapat  diminimalkan  dengan  proses purifikasi karbon nanotube. Metode  dilakukan  dengan mengalirkan sumber  karbon dalam  fase  gas  melalui  suatu  sumber  energi seperti sebuah plasma atau koil pemanas untuk mentransfer  energi  ke  molekul karbon. Secara umum gas yang digunakan adalah metana, CO, dan  asetilena.  Selain  itu  fullerene  dapat  juga digunakan sebagai sumber karbon (Maruyama,dkk.,  2003).  Sumber  energi  digunakan  untuk meng -crack  molekul  karbon  menjadi  atom karbon  reaktif.  Karbon  mendifusi  ke  substrat yang telah panas dan tertempel dengan sebuah katalis. Katalis biasanya adalah  logam  transisi baris pertama seperti Ni, Fe, atau Co. Beberapa peneliti           menggunakan   campuran katalis Co/Mo  (Kitiyanan,  dkk.,  2000  dan  Resasco, dkk.,  2004),  Co/MgO  (Flahaut,  dkk.,  2000), Fe/Mo  (Zheng,  dkk.,  2002). Karbon  nanotube akan terbentuk  jika  parameter- paremeter proses tetap terjaga.  Sedangkan Menurut penelitian yang dilakukan  Deck, dkk  Pada metode yang berbasis  CVD,  maka  CNT  biasanya  ditumbuhkan  dari  bahan  dasar  berbentuk  gas  yang mengandung karbon seperti CH₄, C₂H₂ maupun FeCO₅. Namun demikian bahan-bahan tersebut bersifat toksik sehingga sangat berbahaya jika terjadi kebocoran gas dari substrat tersebut (Deck, 2005).

1. Reaktor katalis, furnace
2. Etanol
3. Gas Ar/H2
4. Flow meter
5. Vakum gauge
6. Pendingin
7. Pompa Vakum

Sintesis  karbon nanotube  CVD  umumnya terbagi  menjadi  dua  tahap,  yaitu  preparasi katalis  dan  sintesis  nanotube   sesungguhnya. Katalis disiapkan  dengan memercikkan logam transisi ke dalam substrat.  Selanjutnya dengan proses penggoresan senyawa kimia atau proses thermal annealing menyebabkan pembentukkan inti partikel katalis. Temperatur sintesis CNT  dengan proses CVD umumnya  650  –  900 ⁰C  dengan  yield  sekitar 30 %. Metode CVD ini pun ada beragam lagi macamnya, misalnya thermal CVD dan plasma CVD. Dengan teknik ini dapat dihasilkan beberapa perangkat elektronik secara langsung, misalnya transistor efek medan (field effect transistor)

(d)   spray-pyrolysis

Penggunaan  metode spray-pyrolysis  untuk  sintesis  CNT  sudah banyak  dilakukan  dalam penelitian  sebelumnya,  seperti  yang  dilaporkan  oleh  Kamalakaran  (2000),  sintesis  dilakukan  dengan  menggunakan  sumber  karbon berupa  benzena,  xylena, toluena,  cyclohexanae, cyclohexanone, n-hexane,  n-heptane, n-octane  dan  n-phentane.  Sedangkan  katalis  yang  bisa  digunakan adalah  metallocene (ferrocene, cobaltocene,  dan  niclelocene) namun  hasilnya menunjukkan bahwa diameter hasil sintesis yang didapatkan masih cukup besar yaitu di atas 100 nm.  Permasalahan  yang  muncul  adalah  bagaimana  mengembangkan  metode  spray-pyrolysis pada temperatur 900^oC dengan variasi komposisi ferrocene-benzena supaya menghasilkan CNT yang berdiameter lebih kecil dan jumlah yang maksimal.

Sintesis dengan menggunakan metode ini  dilakukan  pada  temperatur 900 ^oC  dengan menggunakan aliran rata-rata  gas argon sebesar 500  liter/jam sebagai  gas  yang membersihkan  pengotor  (oksigen)  dangan  variasi  komposisi  ferrocene-benzena  masing-masing sebesar 0,03 g/ml, 0,06 g/ml dan 0,09 g/ml. Namun hasil sintesis yang didapatkan dirasa masih terlalu  sedikit  yaitu  1,53  gram,  2,16  gram  dan  2,45  gram  untuk  masing-masing  komposisi. (Abdullah M., et al., 2004)

 

3.1   Metode  Karakterisasi CNT

Prediksi teoretik ini dapat dibuktikan  kebenarannya melalui sejumlah eksperimen.  Metode pengukuran langsung  yang dapat dilakukan diantaranya  adalah ^[7,10,11,12]:

1. Scanning tunneling microscopy (STM)

Tujuan yang ingin dicapai oleh pengukuran dengan metode ini adalah untuk mendapatkan gambaran struktur atom CNT dan menyelidiki struktur elektroniknya (Odom dkk, 1998).

2. Scanning Electron Microscopy (SEM)

Morfology dari CNT, dimensi, dan orientasinya dapat diungkapkan/diamati dengan menggunakan Scaning Electron Microscopes resolusi tinggi. Lebih tepatnya dengan menggunakan Environmental SEM (ESEM), yang tidak membutuhkan preparasi sampel  menggunakan conductive coating. Ionisasi parsial dari ruang gas menyebabkan muatan pada permukaan sampel, yang berlawanan dengan jenis muatan yang dikumpulkan oleh detektor gas sekunder melalui suatu efek air terjun. Secara keseluruhan hasil yag didapatkan adalah suatu gambaran yang diperbesar dari sampel dengan mengabaikan sifat alami sampel tersebut.

3. Transmission Electron Microscopy  (TEM)

High Resolution Transmission Electron Microscopy ( HRTEM) adalah instrumen yang paling baik untuk mengungkapkan/mengamati diameter, banyaknya dinding, dan jarak antar dinding dari CNT berdinding tunggal (SWNT). Sebagai tambahan, gaya difraksi elektron dari TEM dapat membantu identifikasi sifat alami penutup bagian atas CNT, yang pada umumnya terdiri atas katalisator yang berupa logam . Dalam Transmission Electron Microscopy, suatu spesimen yang berupa lapisan tipis yang padat (≤   200 nm tebal)) dibombardir dalam ruang vakum yang sangat fokus, berkas cahaya monoenergetic dari elektron akan menjadi energi yang cukup untuk energi yang cukup untuk menyebarkan secara terus menerus melewati spesimen.  Satu rangkaian lensa yang elektromagnetis kemudian memperbesar sinyal elektron yag dipancarkan oleh spesimen tersebut. Elektron yang dipancarkan inilah yang selanjutnya digunakan untuk mengamati  pola difraksi spesimen.. Informasi ini digunakan untuk menentukan struktur atom dari material sampel. Elektron yang dipancarkan membentuk gambaran yang merupakan bagian kecil dari sampel yang berisi perbedaan, yang berkaitan dengan mekanisme penyebaran elektron dan selanjutnya dihubungkan dengan interaksi antara elektron dan unsur yang atomis dari sampel.

4. Raman Spectroscopy

Spektroskopi Raman sangat berhubungan erat dengan spektroskopi “Infrared” (IR), yang menyimpan semua data pergerakan vibrasi, rentangan, dan pembengkokan molekul. Tetapi, Raman bergerak sedikit berbeda dengan IR, sehingga menjadi lebih baik di dalam pemakaiannya dari pada IR. Spektroskopi Raman diambil dari nama Chandrasekhara Venkata Raman yang pertama kali menjelaskan mengenai “feeble fluorescence” (yang kemudian dikenal dengan nama efek Raman) pada tahun 1928 yang kemudian memenangkan nobel dalam bidang fisika pada tahun 1930. Efek Raman ini sangat lemah dan menjadi kenyataan setelah ditemukan teknik laser 40 tahun kemudian. Cahaya sinar laser tidak sama dengan cahaya yang datang dari matahari atau dari bola lampu, karena cahaya laser seluruhnya mempunyai satu panjang gelombang. Oleh karena itu, jika cahaya mengenai objek, seluruh cahaya akan di hamburkan balik oleh objek tersebut, dimana panjang gelombang cahaya yang datang sama dengan yang dipancarkan balik. Tidak hanya itu saja, gelombang cahayanya berjajar rapih dengan arah yang sama (polarisasi), seperti lasagna. Dengan demikian laser dapat meletakkan banyak foton pada spot yang kecil. Ada banyak foton yang menumbuk sampel, satu dalam sejuta, meningkatkan sinyal sehingga menjadi cukup kuat untuk dideteksi. Karena seluruh foton mempunyai panjang gelombang yang sama, maka semua akan berinteraksi dengan cara yang sama pada molekul yang jenisnya sama, sehingga memperkuat efek yang terjadi. Sistem modular Raman yang biasa digunakan adalah HoloLab 532 (Kaiser Optical System Inc.). Sinar eksitasi yang digunakan berasal harmonik ke-dua dari Laser YAG berkekuatan 35 mW pada panjang gelombang 532 nm. Sistem modular Raman menyerap kembali cahaya pendaran balik. Cahaya eksitasi dan pendaran (scattering) ditransmisikan balik melalui kabel optik yang sama. Sistem modular Raman terdiri dari (1) notch filter yang efektif memotong cahaya scattering Raleigh, (2) transmission holographic grating, (3) charge coupled device (CCD) detector yang mencakup Raman shift dari 100 ke 4,400 cm-1. Resolusi dari Holo Lab 532 adalah 5 cm^-1.

Gambar: Skema sel spektroskopi Raman bertemperatur tinggi.

Gambar : Foto sel Raman bertemperatur tinggi.

Probe head dari sistem modular Raman diletakkan persis tetapi tidak bersinggungan dengan bagian lengan penghubung ke sel, sehingga jika sel dipanaskan lengan tersebut hanya menjadi hangat. Probe tersebut sangat rentan terhadap panas, sehingga kontak langsung dengan sel Raman atau dengan lengan harus dihindari. Cahaya eksitasi pada panjang gelombang 532 nm diemisikan paralel dengan berkas melalui probe head dengan diameter 5 mm dan difokuskan ke bagian tengah dari sel sampel melalui lensa kuarsa. Untuk mendapatkan sinyal yang terbaik, pengumpulan hamburan cahaya dilakukan sebesar mungkin dengan mengatur fokus yang paling baik. Selain dapat digunakan untuk mempelajari struktur molekul serta sifat dinamikanya Raman Spectroscopy juga dikembangkan untuk dapat mempelajari reaksi beberapa senyawa organik dan inorganik di dalam air. Tetapi, spektrofotometri Raman sangat membutuhkan sistim optik yang mempunyai presisi atau keakuratan yang tinggi, sebab pendaran cahaya dari Raman yang sangat lemah dikarenakan besarnya kontribusi cahaya fluoresens.

3.1     Aplikasi CNT

1. CNT dengan doping nitrogen untuk sel bahan bakar yang murah

CNT yang didoping dengan nitrogen memiliki potensi untuk menggantikan katalis platina yang mahal yang biasa digunakan untuk mereduksi oksigen didalam sel bahan bakar, menurut para peneliti di Ohio (Science 2009, 323, 760). Penemuan ini dapat menurunkan harga dari sel bahan bakar, yang merupakan teknologi menjanjikan namun memiliki masalah dalam pengaplikasiannya terutama dalam skala besar seperti pada kendaraan bermotor karena harga katalis yang mahal disamping segi ketahanannya.

Nanotube yang didoping terbuat dari karbon berwarna kuning yang didoping dengan nitrogen warna biru yang mampu menggantikan katalis platina dalam fuel cells. Sebuah tim dipimpin oleh Liming Dai dari the University of Dayton menemukan bahwa sekumpulan karbon nanotube yg tersusun vertikal, yang sebagian atom karbon digantikan dengan nitrogen dapat mereduksi oksigen dalam larutan alkali lebih baik dibandingkan katalis platina yang telah lama dipakai dalam teknologi sel bahan bakar sejak 1960an. Lebih dari itu, nanotube tidak terpengaruh oleh racun katalis berupa karbon monoksida yang terbukti mendeaktivasi katalis platina.

Gambar: Nanotube yang didoping terbuat dari karbon berwarna kuning yang didoping dengan nitrogen warna biru yang mampu menggantikan katalis platina dalam fuel cells.

Menurut Dai, penyebab utama dari aktifitas tinggi oleh nanotube berdoping nitrogen karena kemampuan menerima elektron dari atom nitrogen yang akan menghasilkan muatan positif pada atom karbon disebelahnya. Muatan ini menarik elektron dari anoda dan mendorong reaksi reduksi oksigen. Menurut Dai  “Pengungkapan peran baru dari nitrogen doping pada penelitian ini sangat penting dan dapat diaplikasikan untuk mengembangkan berbagai katalis pereduksi oksigen berbahan non logam yang efisien diluar aplikasinya dalam fuel cells”

Sementara itu seorang professor teknik kimia dari the University of California Yushan Yan, berpendapat penemuan ini dapat memiliki efek yang mendasar terhadap upaya komersialisasi teknologi sel bahan bakar, selain itu hasil ini dapat lebih berdampak nyata jika tim Dai dapat menunjukkan hasil percobaan dalam media asam, dimana platina lebih diperlukan dalam suasana tersebut, dibandingkan dengan media basa, dimana tidak ada logam lain yang lebih efektif daripada platina pada suasana asam. Namun mengetahui bahwa platina bisa digantikan dengan katalis nonlogam baru ini sudah merupakan kemajuan yang luar biasa ^[13].

2. Sebagai baterai kertas

Baterai kertas adalah baterai hasil rekayasa yang menggunakan kertas-lembaran tipis selulosa (merupakan unsur utama dari kertas biasa) yang disisipi dengan blok CNT. [96] Nanotube bertindak sebagai elektroda sehingga memungkinkan perangkat penyimpanan menghantarkan listrik. Baterai dapat berfungsi sebagai baterai lithium-ion dan supercapacitor karena mampu memberikan output daya yang lebih stabil dibandingkan dengan baterai konvensional, serta semburan energi  yang lebih tinggi, selain itu baterai konvensional secara umum berisi sejumlah komponen, berbeda halnya dengan  baterai kertas CNT yang mampu mengintegrasikan seluruh komponen baterai dalam struktur tunggal hal ini membuatnya lebih hemat energi.

3. Memori Nonvolatile Berbasis CNT dengan Lapisan Oksida–Nitrida–Oksida sebagai Charge Trap

CNT-field-effect transistor (CNTFET) dapat digunakan untuk membuat memori nonvolatile dengan kerapatan sangat tinggi [14]. CNT digunakan sebagai channel berukuran nano,  sedangkan lapisan SiO₂–Si₃N₄–SiO₂ (ONO) digunakan sebagai  node  penyimpan muatan (charge node). Struktur perangkat memori ini ditampilkan pada Gambar 12.  Muatan disimpan pada lapisan ONO. Muatan yang  disimpan akan meningkatkan treshold voltage sebesar 60 mV (a quantized increment of 60 mV). Hal ini menunjukkan bahwa ONO memiliki                trap dengan keadaan energi  terkuasikuantisasi (quasiquantized energy state). Keadaan ini berhubungan dengan medan listrik kuat terlokalisasi (localized high electric field) pada CNT channel ^[5].

3.2   Penemuan Terbaru dan Perkembangan CNT saat ini

Penemuan dan perkembangan CNT saat ini telah sampai pada tahap yang memuaskan sebagai contoh :

1. Perkembangan CNT dalam Bidang Elektronika dan Kelistrikan

International Business Machines Corp. (IBM) telah menemukan sebuah terobosan dalam teknologi transistor, yang suatu hari nanti bisa dikembangkan menjadi chip dengan ukuran lebih kecil serta berkecepatan lebih tinggi daripada chip yang ada saat ini. Terobosan yang dimaksud adalah keberhasilan para peneliti di IBM dalam membuat susunan transistor, yang pertama kali menggunakan carbon nanotubes atau silinder karbon berukuran nano. Carbon nanotubes adalah struktur atom-atom karbon berbentuk silinder yang 50.000 kali lebih tipis dibanding diameter sehelai rambut. Mereka juga telah menemukan cara untuk membentuk nanotubes tersebut menjadi transistor, yang berukuran 500 kali lebih kecil dibanding transistor berbahan silikon yang ada saat ini. Hanya saja sampai saat ini mereka masih mencari cara untuk bisa memproduksinya secara massal.

Selain itu peneliti di IBM juga mengaku menemukan cara menumpuk transistor nanotube, sehingga hanya berukuran 1,4 nanometer atau sekecil deretan 10 atom. Rangkaian ini merupakan langkah awal pembuatan chip berbahan karbon. Telah sejak lama para peneliti di seluruh dunia mencari bahan dan proses baru untuk membuat chip komputer. Hal itu terjadi karena menurut perkiraan mereka, dalam satu atau dua dekade mendatang, chip berbahan silikon tidak dapat dibuat lebih kecil lagi. Mereka berharap menemukan suatu bahan yang dapat digunakan untuk membuat piranti-piranti elektronik berukuran lebih kecil, dengan konsumsi energi rendah dan menghasilkan panas yang sedikit.

Alasan lain mengapa IBM meneliti bahan ini adalah karena bahan itu merupakan penghantar listrik yang baik, sehingga bisa menjadi “kawat” yang bagus. “Bahan ini dapat meneruskan aliran listrik dalam jumlah yang besar per unit area, sekaligus mengalirkan lebih banyak elektron dalam tiap penampangnya, dibanding penghantar. Bila bahan itu digulung menjadi struktur yang lurus, maka dia dapat dijadikan kawat penghantar, namun bila struktur itu bergelombang atau bersimpul, maka nanotubes akan menjadi semikonduktor. Semikonduktor seperti ini menghantarkan listrik dalam jumlah cukup, sehingga kita bisa mematikan atau menghidupkan alirannya dengan medan listrik yang terjadi. Sistem inilah yang nantinya bisa digunakan dalam teknologi transistor masa depan. Pihak IBM berharap mulai dapat menggunakan bahan ini untuk produk-produknya dalam tiga tahun mendatang. CNT yang dibentuk dengan material berpori akan memiliki permukaan yang sangat luas, yang memungkinkan terjadinya akses elektrokimia pada susunan pori-pori CNT dapat berlangsung dengan sangat baik. Model yang saat ini sedang dikembangkan adalah apa yang disebut dengan superkapasitor yang memiliki kapasitas raksasa dibandingkan dengan kapasitor yang dibuat dari elektroda biasa. Kemampuan kapasitas yang sangat besar dapat terjadi mengingat besarnya kapasitas suatu kapasitor berbanding terbalik dengan jarak pemisah dua elektroda yang digunakan, serta sebanding dengan luas permukaan pemisah itu.  Denga menggunakan CNT, maka jarak pemisah yang berorde nanometer akan jauh lebih kecil dari pemisah yang selama ini dipakai. Jarak yang sangat kecil itu ditambah dengan permukaan yang sangat luas dari CNT, akan menghasilkan kemampuan kapasitas yang sangat besar dibandingkan dengan kapasitor yang saat ini ada. Model pemisah elektroda dari bahan CNT ini dapat menghasilkan injeksi muatan yang sangat besar dengan hanya memberikan tegangan beberapa volt saja. Superkapasitor CNT ini diharapkan dapat menghasilkan kendaraan listrik yang sangat efisien sebagai alternatif pengganti kendaraan berbahan bakar minyak. Kemampuan injeksi superkapasitor CNT seperti di atas juga akan menghasilkan elektroda dengan kemampuan ekspansi dan kontraksi yang tinggi, yang diharapkan bisa menghasilkan robot yang lebih lincah dari yang ada saat ini.

Perkembangan lainnya yang lebih mengesankan dari CNT adalah aplikasi CNT sebagai alat penghasil emisi medan elektron yang banyak digunakan pada TV atau monitor layar datar, lampu, tabung gas bermuatan, Sinar X serta pembangkit gelombang mikro. Inilah aplikasi CNT pada alat elektronik yang paling banyak menarik perhatian kalangan peneliti nano-elektronik dan juga kalangan industri. Tidak mengherankan jika 45 persen hasil penelitian tentang aplikasi CNT yang telah dipatenkan berkisar tentang emisi elektron ini.

CNT memiliki kemampuan yang sangat baik sebagai penghasil medan elektron dikarenakan jika sebuah tegangan diberikan di antara permukaan lapisan CNT dan sebuah anoda, maka akan menghasilkan medan lokal yang tinggi sebagai akibat dari sangat kecilnya radius tabung CNT. Pada layar datar, medan elektronik yang dihasilkan ini mampu mengarahkan pancaran elektron ke arah anoda di mana fosfor kemudian menghasilkan warna. CNT cukup menjanjikan untuk menggantikan model emisi elektron yang sekarang ada mengingat pembuatannya relatif lebih mudah, yakni hanya dengan menggunakan screen printing dan bisa dikerjakan pada tekanan yang relatif rendah. Layar datar yang dibuat dari CNT sudah dapat beroperasi hanya dengan energi listrik yang rendah, resolusi gambar yang tinggi, lebih jelas, memiliki sudut pandang yang lebar, serta temperatur operasi yang lebih fleksibel. Perusahaan Korea, Samsung, bahkan telah memamerkan beberapa prototipe dari TV layar datar yang dikembangkan dari CNT ini. Beberapa perusahaan elektronika menargetkan untuk meluncurkan monitor layar datar dari CNT tidak lebih dari tahun 2005.

Perkembangan lain yang tidak kalah penting adalah penggunaan CNT pada divais elektronik berskala nano yang sangat menjanjikan untuk terwujudnya impian memperkecil ukuran chip dan prosesor. Sebuah penelitian dari Osaka University di Jepang telah mampu membuat transistor dari CNT yang memiliki kecepatan lebih tinggi dibandingkan dengan silikon transistor.

2. Perkembangan CNT dalam bidang Material katalis dan reaksi kimia

Memasukkan partikel logam berukuran nano kedalam karbon nanotubes akan mengubah sifat redoks dari partikel dan dapat meningkatkan efektifitasnya sebagai katalis, menurut sebuah penelitian baru (J. Am. Chem. Soc., DOI: 10.1021/ja8008192). Investigasi ini bertujuan utama untuk mengembangkan prosedur baru dalam mengubah -ubah sifat elektronik dari partikel berukuran nano yang dapat diaplikasikan dalam bidang katalisis, sensor gas dan peralatan magnetis

CNT bisa dikatakan serupa dengan karbon aktif yang digunakan secara komersial sebagai penyangga katalis, namun karbon nanotubes memiliki sifat elektronik yang unik yang menjadikannya penyangga katalis yang lebih baik dari karbon aktif untuk reaksi-reaksi tertentu. Para peneliti secara khusus sangat tertarik dengan efek yang ditimbulkan dari penempelan partikel katalis pada permukaan dalam tabung, yang selama ini penelitian sebelumnya hanya mampu menempelkan partikel logam dipermukaan luar.

Saat ini Xinhe Bao, Xiulian Pan, Wei Chen, dan Zhongli Fan di Dalian Institute of Chemical Physics, China, telah memperlihatkan metode fase larutan yang dibantu dengan ultrasonication secara selektif mampu mendeposit partikel nano besi oksida kedalam karbon nanotubes. Partikel ini merupakan prekrusor sebagai katalis dalam sintesa Fischer-Tropsch (FT), sebuah metode untuk membuat bahan bakar sintetik dari campuran CO dan hydrogen.

Tim peneliti tersebut menemukan bukti bahwa partikel yang terperangkap lebih sensitif terhadap reduksi kimia daripada partikel yang menempel di permukaan luar nanotubes. Secara khusus, mereka melaporkan dengan dimasukkannya partikel besi oksida ke dalam nanotubes akan meningkatkan rasio antara besi karbida dengan besi oksida sebesar dua kali lipat di permukaan katalis ketika terjadi reaksi. Konsentrasi tinggi dari besi karbida ini dipercaya sangat berpengaruh dalam reaksi .

Gambar : Tiga jenis karbon nanotube berdasarkan susunan atom karbon di dindingnya

Dalam test FT sintesis tersebut, mereka juga mengamati konsentrasi hidrokarbon yang terbentuk dengan rantai karbon lebih atau sama dengan lima rantai. Mereka mendapati peningkatan produksi hidrokarbon rantai panjang enam kali lebih besar dengan menggunakan katalis karbon nanotubes yang diisi di dalamnya dengan partikel besi oksida dibandingkan dengan nanotubes yang dilekati partikel besi oksida diluarnya.

Untuk menghindari hambatan difusi pereaktan masuk mendekati permukaan katalis yang berada didalam tabung, para peneliti mensiasatinya dengan memotong-motong tabung menjadi potongan yang lebih pendek. Ditambah lagi bahwa reaksi berjalan lebih baik dengan memasukkan partikel katalis kedalam tabung juga telah membuktikan bahwa difusi bukanlah menjadi halangan yang serius.

3.3   Prospek CNT pada masa mendatang dan Hambatan yang Muncul

Meskipun prototipe aplikasi CNT tersebut berhasil dibuat, tetapi perkembangan realisasinya dalam jumlah besar bisa dikatakan sangat lamban. Masalah utamanya berada pada tahapan fabrikasi. Sebagai contoh, diameter silinder (CNT) pada proses sintesis memang sudah dapat dikontrol dengan baik, tapi tidak dengan vektor chiral-nya. Akibatnya, CNT-CNT yang dihasilkan akan bercampur antara yang bersifat logam dengan semikonduktor dan keadaan ini tentu tidak baik untuk aplikasi selanjutnya.

Pada proses CVD, posisi dari tempat tumbuhnya CNT dapat dikontrol dengan membuat pola bahan katalis, tetapi jumlah CNT dan orientasinya relatif terhadap substrat masih belum terdefinisikan. Selain itu, temperatur yang terlalu tinggi untuk CVD konvensional (hingga 1000 ^oC) membuat proses penumbuhan CNT tidak cocok dengan proses standar silikon yang masih menjadi bahan utama perangkat elektronik saat ini. Sebagai pendekatan alternatif, yaitu deposisi CNT pada substrat setelah fase penumbuhan, dapat menghindarkan permasalahan temperatur tinggi, tetapi justru muncul masalah baru pada penentuan posisi penumbuhan dan juga geometri CNT.

Beberapa usaha kembali dicoba untuk mengatasi masalah ini, misalnya dengan menggunakan medan listrik untuk memandu CNT pada posisi tertentu selama penumbuhan dan deposisi (Zhang dkk, 2001), dengan perlakuan modifikasi permukaan (Liu dkk, 1999), atau seperti yang dilakukan di Fisika ITB dengan CVD plasma berfrekuensi tinggi (Sukirno dkk, 2006). Meskipun perkembangan teknologi CNT begitu cepat, sebagaimana diuraikan di atas, permasalahan untuk memproduksi secara massal masih menjadi kendala di kalangan industri. Industri pembuat CNT yang cukup terkenal, yaitu Carbon Nanotechnologies Inc (CNI) yang didirikan oleh peraih nobel Rick Smalley, saat ini hanya mampu memproduksi 1 kilogram per-harinya. CNI menargetkan untuk memproduksi 450 kilogram dalam sehari pada tahun 2005, yang diharapkan akan mampu menurunkan harga jual. Perusahaan lainnya, Showa Denko KK di Kawasaki, Jepang, saat ini hanya mampu memproduksi sebanyak 4-5 kilogram CNT per hari.

Dengan demikian, satu-satunya masalah yang menghambat CNT untuk segera diterapkan secara massal dalam dunia elektronik adalah proses pembuatannya. Meskipun sudah banyak “mimpi” dan juga teori untuk membuat sebuah rangkaian elektronika yang “murni” CNT, tetapi selama proses fabrikasinya tidak berkembang maka keunggulan CNT hanya dapat terwujud dalam skala laboratorium, bukan untuk kebutuhan sehari-hari secara massal. Namun kita juga harus tetap optimis bahwa dengan perkembangan teknologi yang demikian pesatnya saat ini, mudah-mudahan suatu saat nanti CNT benar-benar dapat direalisasikan penggunaannya secara massal bagi kehidupan manusia.

IV. KESIMPULAN

Carbon nanotube (CNT ) adalah satu rantai atom karbon yang berikatan secara heksagonal berbentuk silinder tabung yang berdiameter 1-2 nanometer. Silinder tabung CNT ini memiliki panjang beberapa puluh mikrometer dengan ujung- ujungnya memiliki tutup seperti layaknya pil obat.

CNT merupakan bahan seperti fiber namun memiliki kemampuan yang jauh lebih unggul karena memiliki sifat-sifat yang sangat menakjubkan, yaitu :

• Konduktivitas listrik lebih tinggi daripada tembaga
• Konduktivitas panas lebih tinggi daripda berlian
• Daya tahan terhadap temperatur tinggi
• Lebih ringan daripada aluminium
• Sifat elektronik dapat diatur (superkonduktor, semikonduktor dan insulator)
• Modulus young dan kekuiatan regang yang tinggi
• Keras, kuat tetapi mudah dibengkokkan
• Mempunyai fleksibilitas yang tinggi

Penggunaan material CNT pada produksi alat-alat elektronik mengundang sangat banyak perhatian. CNT selain merupakan material yang memiliki banyak keunggulan dibandingkan material lain juga memiliki ukuran yang sangat kecil sehingga sangat efektif dan efisien untuk digunakan. Selain itu, CNT merupakan material yang sangat kuat dan memiliki usia operasi yang jauh lebih lama serta tidak mudah rusak karena berbenturan dengan material yang ingin dideteksi.

Jadi, Carbon Nanotube merupakan material masa depan yang sangat potensial sebagai salah satu alternatif nanomaterial yang ada saat ini.

V . DAFTAR PUSTAKA

 

1. Kuwat Triyana. 2007, Penelitian dan perkembangan Smart Material dan Aplikasinya. Lembaga Penelitian dan Pengabdian Universitas Gajah Mada.
2. H.W. Kroto. et al. 1985, C60-Buckiminsterfullerene, Nature, 318 (6042), 162-163.
3. S. Iijima. 1991, Helical microtubules of graphitic carbon, Nature, 354 (6348), 56-58.
4. Anonim. 2004, Nanoscience and nanotechnologies: Opportunities and uncertainties,
5. Kusumadewi Anggraeni, Perangkat Memori Berbasis Carbon Nanotube: 2010
6. Hill J.W dan Petrucci R.H.2002, General Chemistry : An Integrated Approach.3 rd Edition. New Jersey : Prentice Hall
7. Nur Adrian, Paryanto, Jumari Arif, Dyartanti Endah Retno. 2007, Sintesis Karbon Nanotube dari Etanol Dengan Metode Chemical Vapor Deposition.Gema teknik –No.2/Tahun X Juli.
8. Mintmire, JW; Dunlap, BI; White, CT (3 Februari 1992). “Are Fullerene Tubules Metallic?”. Physical Review Letters 68 (5): 631–634.
9. T. W. Odom, H. Jin-Lin, P. Kim, C.M. Lieber, Atomic structure and electronic properties of single-walled carbon nanotubes, Nature, 391, 62-4.
10. A Xiaolei Liu. 2006, A Dissertation Present : Synthesis, Devices and Applications of Carbon Nanotubes.  Faculty of The Graduate School University of Southern California.

11. V. Shanov, Yeo-Heung Yun , M. J. Schulz. 2006,  Synthesis and Characterization of Carbon nanotube Materials (Review). Journal of the University of Chemical Technology and Metallurgy, 41, 4, 2006, 377-390

12. Natiq Shouny Arief. 2008, Pengaruh Komposisi Ferrocene-Benzena pada Sintesis Carbon Nanotube dengan Metode Spray Pyrolysis.

13. Purnomo Wahyu Chandra.2009, Karbon nanotube dengan doping nitrogen untuk sel bahan bakar yang murah. Diambil tanggal  30 Maret 2010 dari http://www. Chemistry.org

Yulianto Akhmad, Ahmad Ridwan T. Nugraha. 2009, Dari Sebatang Karbon…..Diambil tanggal 28 Maret 2010 dari http://1

(Padang 2009 : Makalah Karbon nanotube Oleh: Andry Nurta Suhadi, Pembimbing : Dr.Syukri. Jurusan kimia UNIVERSITAS ANDALAS)

Advertisements