NANOTEKNOLOGI [PDF]

Citation preview

NANOTEKNOLOGI A.



Pengertian Nanoteknologi Nanoteknologi adalah ilmu dan rekayasa dalam penciptaan material, struktur fungsional,



maupun piranti dalam skala nanometer. Dalam terminologi ilmiah, nano berarti 10-9 (0,000000001). Satu nanometer adalah seper seribu mikrometer, atau seper satu juta millimeter, atau seper satu miliar meter. Jika panjang pulau Jawa dianggap satu meter maka panjang satu nanometer kira-kira sama dengan diameter sebuah kelereng. B.



Perkembangan Nanoteknologi Sejak tahun 2000, riset material skala nanometer memasuki babak yang paling progresif.



Penemuan baru dalam bidang ini muncul hampir dalam tiap minggu dan aplikasi-aplikasi baru mulai tampak dalam berbagai bidang, seperti bidang elektronik (pengembangan divais ukuran nanometer), energi (pembuatan sel surya yang lebih efisien), kimia (pengembangan katalis yang lebih efisien, baterei yang kualitasnya lebih baik), kedokteran (pengembangan peralatan baru pendeksi sel-sel kanker berdasarkan pada interaksi antar sel kanker dengan partikel berukuran nanometer), kesehatan (pengembangan obat-obat dengan ukuran butir beberapa nanometer sehingga dapat melarut dalam cepat dalam tubuh sehingga bereaksi lebih cepat dan pengembangan obat “smart” yang bisa mencari sel-sel tumor dalam tubuh langsung mematikan sel tersebut tanpa mengganggu sel-sel normal), lingkungan (penggunaan partikel skala nanometer untuk menghancurkan polutan organic di air sungai dan udara), dan sebagainya. Nanopartikel yang berukuran sangat kecil juga memperlihatkan sifat magnetik dan optik yang unik. Sebagai contoh, material feromagnetik menjadi superparamagnetik ketika ukurannya lebih kecil dari 20 nm karena partikel tersebut tidak dapat mempertahankan magnetisasi akibat ketiadaan domain magnetik. Ukuran domain magnetik umumnya beberapa micrometer. Di dalam partikel yang berukuran kurang dari 100 nm tidak ada domain magnetik yang bisa muncul. Tetapi partikel tersebut tetap mengalami gaya magnetik jika berada dalam medan magnet. Partikel semacam ini berguna untuk drug delivery karena dapat digunakan untuk meningkatkan ketelitian pengarahanan obat ke sel tumor tertentu dengan menggerakkan partikel tersebut menggunakan pulsa elektromagnetik. Partikel nanomagnetik ditancapkan pada material obat. Struktur elektronik nanopartikel sangat bergantung pada ukuran. Untuk partikel-partikel kecil, tingkat-tingkat energi kuantum yang dimilikinya tidak kontinu tetapi disktrit disebabkan oleh confinement fungsi gelombang elektron dalam ruang yang sangat terbatas. Dalam material berukuran



besar elektron dan hole dapat bergerak ke mana pun dalam ruang yang hampir tak terbatas. Tetapi, jika ukuran partikel sangat kecil, elektron dan hole hanya dapat bergerak bolak-balik dalam ruang yang sangat kecil. Dinding partikel tidak dapat ditembus dengan mudah oleh elektron dan hole kecuali pada suhu yang sangat tinggi. Skala panjang yang biasa digunakan sebagai pembatas daerah confimenent dan daerah bulk adalah jari-jari eksiton Bohr dalam material tersebut. Jarak rata-rata tingkat energi kuantum berdekatan dalam partikel, , yang dikenal dengan celah Kubo memenuhi :



di mana E F adalah energi Fermi dan n adalah jumlah elektron valensi di dalam partikel. Pada ukuran yang lebih kecil dari itu partikel bersifat non-logam dan di atas ukuran tersebut partikel bersifat logam. Karena kehadiran celah Kubo di dalam nanopartikel maka sifat-sifat lain seperti konduktivitas dan magnetisasi juga bergantung pada ukuran partikel. Sifat disktrit dari energi juga berimplikasi pada perubahan mendasar sifat optik dari partikel khususnya yang berkaitan dengan pita valensi. Karena ukurannya yang sangat kecil, nanopartikel dapat sangat stabil dalam koloid. Partikel yang berukuran besar mengendap dengan cepat karena gaya gravitasi yang dominan. Sebaliknya, pada nanopartikel, gaya gravitasi yang bekerja sangat kecil sehingga kalah pengaruh dari gerakan acak (gerak Brown). Parameter yang menentukan cepat atau lambatnya partikel mengendap adalah kecepatan “settling” yang diberikan oleh hukum Stokes.



dengan g percepatan gravitasi, d diamater partikel, ρs massa jenis zat cair, ρl massa jenis partikel, dan μl viskositas zat cair. C.



Material Nanostruktur Saat ini para ilmuwan sepakat bahwa yang dapat dikelompokkan dalam skala nanometer



adalah ukuran yang lebih kecil dari 100 nm. Orang menyebut nanopartikel jika diameter partikel tersebut kurang dari 100 nanometer. Dimensi ini digunakan untuk membedakan dengan ukuran micrometer (ribuan nanometer) dan submicrometer (ratusan nanometer) yang telah lebih dulu digunakan. Namun riset nanoteknologi tidak hanya terbatas pada nanopartikel, tetapi lebih luas ke



material nanostruktur. Material nanostruktur adalah material yang tersusun atas bagian-bagian kecil, di mana tiap-tiap bagian berukuran kurang dari 100 nanometer, walupun ukuran material secara keseluruhan cukup besar dan sifat bagian-bagian kecil tersebut tetap dipertahankan. Contoh material nanostruktur adalah: 1.



Nanopartikel, yaitu partikel dengan diameter kurang dari 100 nm. Nanopartikel disebut juga nanodot (titik nano) atau quantum dot (titik kuantum).



2.



Nanorod, yaitu semacam kawat atau silinder yang memiliki diameter kurang dari 100 nm, berapa pun panjangnya. Nanorod kadang disebut juga nanowire. Orang telah berhasil membuat nanowire dengan panjang beberapa ratus micrometer. Contohnya, pembuatan carbide nanorods (TiC, NbC, Fe3C, SiC, dan BCx) dengan diameter antara 2 sampai 30 nm dan panjang hingga 20 μm telah dilaporkan oleh Dai dkk.



3.



Nanoribbon, adalah material berbentuk pita dengan ketebalan kurang dari 100 nm.



4.



Nanosheet, adalah material berbentuk lembaran dengan ketebalan kurang dari 100 nm. Perbedaan nanosheet dan nanoribbon terletak pada dimensi lebarnya. Pada nanoribbon, lebar material tidak terlalu besar (beberapa ratus nanometer) dan panjangnya jauh lebih besar daripada lebar. Sedangkan nanosheet memiliki panjang yang hampir sama dengan lebar dan ukurannya ratusan nm hingga beberapa micrometer.



5.



Nanotube, adalah material berbentuk silinder dengan ketebalan kulit silinder kurang dari 100 nm. Contoh yang terkenal adalah carbon nanotube di mana kulit silinder berupa satu atau beberapa lapis atom karbon. Nanotube lain yang berhasil dibuat adalah boron nitride (BN) nanotube yang kulitnya terdiri dari beberapa atom boron dan nitrogen.



6.



Nanoporous, adalah material yang mengandung sejumlah poros dan ukuran tiap poros kurang dari 100 nm. Contoh material ini adalah zeolite dan MCM-41 (silikon dioksida yang mengandung poros yang tersusun secara heksagonal).



Sifat material nanostruktur sangat bergantung pada: (a) ukuran maupun distribusi ukuran, (b) komponen kimiawi unsur-unsur penyusun material tersebut, (c) keberadaan interface (grain boundary), dan (d) interaksi antar grain penyusun material nanostruktur. Kebergantungan sifat pada parameter-parameter di atas memungkingkan “tuning” sifat material dengan kebebasan yang sangat tinggi.



D.



Bandgap Engineering Salah satu topik yang hangat dalam riset nanomaterial karena memiliki potensi aplikasi yang



sangat luas adalah band gap engineering. Banda gap engineering adalah rekayasa pita energi material untuk menghasilkan sifat optik, elektronik, maupun optoelektronik sesuai dengan yang diinginkan. Rekayasa ini umumnya meliputi pengontrolan lebar celah pita energi (energy band gap) sehingga energi yang diperlukan untuk mengeksitasi elektron atau hole dalam material atau energi yang dipancarkan elektron atau hole ketika kembali ke keadaan dasar dapat diubah-ubah sesuai dengan yang diinginkan. Pengaturan lebah celah pita energi ini juga berdampak pada konduktivitas listrik material tersebut, karena makin kecil lebar celah pita energi maka konduktivitas umumnya makin besar. E.



Rekayasa Permukaan Besarnya fraksi atom yang berada di permukaan ketika dimensi partikel hanya beberapa



nanometer maka sifat partikel tersebut sangat bergantung pada perubahan sifat permukaan. Apabila suatu material disusun oleh partikel-partikel yang berukuran nanometer, maka sifat keseluruhan material tersebut dapat dikontrol dengan mudah melalui memanupulasi sifat permukaan nanopartikel penyusunannya. Ini membuka peluang rekayasa sifat material dengan mudah. Sebagai contoh, jika nanopartikel ditempatkan dalam material yang memiliki sifat kimiawi yang berbeda, maka sifat optik partikel tersebut akan berubah secara dramatis sehingga membuka peluang aplikasi nanopartikel sebagai detector keadaan lingkungan. F.



Tablet Nanopartikel Kebanyakan obat-obatan yang ada sekarang berbentuk partikel dalam dosis yang tertentu. Isu-



isu penting dalam dunia farmasi seperti stabilitas kimia, fisika, terapi, dan klinik sering dikaitkan dengan sifat-sifat partikel penyusuan obat tersebut. Di antara sifat tersebut adalah ukuran dan sifat permukaan partikel. Pada kebanyakan obat yang ada sekarang, ukuran partikel. Ukuran yang besar menimbulkan reaksi yang lambat pada obat tersetut masuk ke dalam tubuh. Dengan ukuran yang besar, maka diperlukan waktu yang lama untuk melarutkan partikel obat menjadi senyawa-senyawa aktif. Untuk mempercepat rekasi obat, maka reduksi partikel obat ke dalam orde beberapa nanometer merupakan pendekatan yang sangat menjanjikan. Ukuran partikel yang kecil serta luas permukaan yang besar memungkinkan partikel-partikel obat dapat segera melarut begitu memasuki tubuh. Reaksi obat menjadi sangat cepat. Nanopartikel tersebut kemudian dicampur dengan polimer yang sesuai sebagai bahan perekat kemudian dipress untuk membentuk tablet.



G.



Pengkapsulan Nanoparticles Pengkapsulan partikel dengan polimer dapat meningkatkan kompatibilitas obat dengan bahan



organik dalam tubuh serta dapat melindungi permukaan partikel dari oksidasi. Akibatnya, pengkapsulan dapat meningkatkan dispersibilitas maupun stabilitas kimiawi dan mereduksi toksitas (efek keracunan). Pengkapsulan adalah pengepakan material tertentu (bisa padatan atau cairan) dengan material lain (umumnya material yang tidak reaktif) dalam bentuk kapsul. Berdasarkan ukuran hasilnya, kita dapat menggolongkan tiga skala pengkapsulan, yaitu nanoencapsulation jika ukuran hasil antara 1 nm - 1 μm, microencapsulation jika ukuran hasil antara 1 μm – 1 mm, dan macroencapsulation jika ukuran hasil lebih besar dari 1 mm. Diantara tujuan pengkapsulan adalah untuk memungkinkan pelepasan material obat pada posisi tertentu dalam tubuh, memungkinkan penanganan (handling) material aktif lebih mudah dan aman, memungkinkan penampungan sistem yang terdiri dari bermacam-macam komponen dalam satu kontainer, melindungi material sensitif dari pengaruh lingkungan, dan mengubah cairan ke bentuk bubuk atau padatan. Saat ini kita menjumpai beberapa aplikasi komersial dari pengkapsulan pada fertilizer, pestisida, pasta gigi, shampoo, kertas yang tidak mengandung karbon, detergen, penampung debu vacuum cleaner, zat anti api, dan tisu wajah. Dalam dunia farmasi, ada kecenderungan mengkasulkan partikel obat yang berukuran nanometer. Kapsul akan terbuka ketika sampai di lokasi tertentu dalam tubuh dan melepaskan nanopartikel di lokasi tersebut. Ini memungkinkan obat dilepaskan pada tempat yang tepat dalam tubuh sehingga hanya bereaksi dengan sel-sel tubuh yang memang membutuhkan zat aktif pada obat tersebut. Sel-sel tubuh yang lain yang tidak membutuhkan zat aktif dari obat tidak diganggu. Pendekatan ini dilakukan dengan menggunakan material pembukus yang bisa mengenal penyakit dalam sel, sehingga pembukus hanya terbuka saat berada di lingkungan sel yang dikenai penyakit tertentu. H.



Inhaler Pressurized Metered Dose Inhaler (pMDI) telah diperkenalkan tahun 1956 untuk



memasukkan furmula obat ke dalam tubuh melalui penghirupan. Formula tersebut berwujud suspensi dengan ukuran partikel beberapa micrometer. Namun, cara ini kurang efisien karena hanya sekitar 10%-15% yang dapat mencapai paru-paru dan sebagian besar tertahan di oropharynx. Pendekatan tradisonal dalam perancangan formula untuk pMDI adalah menggunakan partikel berukuran micrometer dengan kerapatan 1,0 – 1,5 g/cm3. Akan tetapi, partikel yang berukuran micrometer bisaanya memiliki sebaran ukuran yang lebar dan kurang bebas dalam pengontrolan kerapatan maupun energi permukaan.



Saat ini dikaji secara intensif pengembangan metode baru untuk memasukkan protein ke dalam tubuh yang sulit dimasukkan lewat mulut. Pemasukan obat melalui saluran pernapasan merupakan alternatif yang sangat potensial untuk menggantikan teknik jarum suntik. Penelitian tentang penggunaan partikel berukuran nanometer sebagai obat yang dimasukkan lewat pernapasan mulai intensif dilakukan. Partikel dengan diameter kurang dari beberapa ratus nanometer dapat bertahan lebih lama dalam paru-paru. Ketika terdeposisi dalam paru-paru, partikel tersebut dapat bertahan dalam waktu yang cukup lama dalam kelenjar paru-paru sampai seluruhnya terlarut. Lebih lanjut beberapa penelitian menunjukkan bahwa sel-sel kanker dan epitelum dapat menyerap nanopartikel. Studi in vivo juga mengamati pengumpulan nanopartikel di sekitar tumor. Sifat ini menjadikan nanopartikel sebagai kandidat obat penyembuh kanker. I.



Kosmetik Bedak kosmetik tersusun atas partikel-partikel yang sangat halus. Kosemetik memanfaatkan



prinsip hamburan cahaya. Jika ukuran partikel lebih besar daripada panjang gelombang cahaya maka partikel kosmetik akan menghmaburkan cahaya yang jatuh padanya sehingga menghasilkan efek warna putih (whitening). Kosemetik dengan ukuran partikel yang besar digunakan pada krim penghasil warna putih pada kulit. Sebaliknya, jika ukuran partikel jauh lebih kecil daripada panjang gelombang cahaya, maka tidak terjadi hamburan cahaya. Cahaya dapat lolos melewati partikelpartikel kosmetik hingga mengenai kulit. Tetapi jika partikel tersebut memiliki celah pita energi yang bersesuaian dengan panjang gelombang ultraviolet, maka meskipun partikel kosmetik tersebut dapat dilewati oleh cahaya tampak, namun partikel tersebut menyerap sinar ultraviolet. Kombinasi dua sifat ini menjadikan partikel-partikel tersebut digunakan pada lotion sunscreen (menyerap sinar ultraviolet dan meloloskan cahaya tampak). Kosmetik yang berbasis nanopartikel mulai dikaji secara intensif karena memanfaatkan beberapa sifat khas nanopartikel. Persoalan yang sering timbul adalah handling nanopartikel sering kali lebih sulit daripada handling partikel berukuran besar. Untuk memecahkan masalah ini, maka salah satu metode yang dapat dipakai adalah membentuk agregat nanopartikel dalam ukuran yang lebih besar. Pembentukan agregat ini tetap mempertahankan sifat nanopartikel, namun ukuran partikel secara keseluruhan cukup besar sehingga memudahkan handling. J.



Aplikasi Militer Berbagai jenis nanopolimer baru sedang dikembangkan. Nanopolimer ini disemprotkan ke



badan prajurit untuk membuat sebuah pakaian tanpa adanya teknik jahit-menjahit. Material ini direncanakan mengandung enzim yang dapat mendeteksi dan mengurai agen-agen biologis dan kimiawi yang bertentangan, memiliki berbagai macam biosensor untuk memonitor kesehatan dan



silikon karbida sebagai proteksi fisik. 'Baju perang' ini sedang dikembangkan di Massachusetts Institute of Technology (MIT) sebagai soldier nanotechnologies.