1. Pengertian
Carbon nanotube adalah
salah satu struktur carbon yang
berbentuk seperti silinder dengan diameter dalam orde nanometer. Salah satu
keunikan dalam struktur ini adalah kelebihannya dalam hal kekuatan, sifat
keelektrikannya, dan juga sifat dalam penghantaran panas yang baik. Struktur
ini memiliki bermacam bentuk turunan yang masing-masing memiliki sifatnya
tersendiri. Keistimewaan carbon nanotube
membuatnya menjadi harapan baru dalam perkembangan teknologi nano.
carbon nanotube merupakan
turunan dari struktur carbon. Carbon nanotube dapat dideskripsikan
sebagai lembaran grafit setebal 1 atom yang digulung menyerupai silinder dan
memiliki diameter dengan orde nanometer. Lembaran ini memiliki
struktur seperti sarang lebah (honeycomb)
yang terdiri dari ikatan-ikatan atom carbon.
2. Struktur
Struktur
carbon nanotube yang unik
memungkinkannya memiliki sifat kenyal, daya regang, dan stabil dibandingkan
struktur carbon lainnya. Kelebihannya
ini dapat dimanfaatkan dalam pengembangan struktur bangunan yang kuat, struktur
kendaraan yang aman, dan lainnya. Hal ini dikarenakan carbon nanotube memiliki ikatan sp3
menyerupai struktur di grafit. Ikatan ini lebih kuat dibandingkan dengan
struktur ikatan sp2 yang
dimiliki oleh intan. Dengan demikian secara alami carbon nanotube akan membentuk ikatan yang sangat kuat.
Gambar 1. Struktur Carbon
Nanotube Dalam 3 Dimensi
a. Single Walled Nanotubes (SWNT)
Struktur ini memiliki diameter kurang lebih 1 nanometer dan memiliki
panjang hingga ribuan kali dari diameternya. Struktur SWNT dapat dideskripsikan
menyerupai sebuah lembaran panjang struktur grafit (disebut graphene) yang tergulung. Umumnya SWNT
terdiri dari dua bagian dengan properti fisik dan kimia yang berbeda. Bagian
pertama adalah bagian sisi dan bagian kedua adalah bagian kepala. SWNT memiliki
beberapa bentuk struktur berbeda yang dapat dilihat bilamana struktur tube dibuka.
(a)
(b)
(c)
Gambar 2. Beberapa Bentuk Struktur SWNT (a)
Struktur Armchair (b) Struktur Zigzag
(c)
Struktur Chiral
Gambar 3. Struktur SWNT Secara Vektor (1)
Pada gambar 3 terlihat cara lembaran grafit (graphene) dilipat dapat dijabarkan oleh chiral vector Ch yang direpresentasikan oleh pasangan
(n,m). n dan m menunjukkan jumlah unit vektor di antara 2 vektor di dalam crystal lattice dari graphene. Jika m=0 maka struktur nanotube dinamakan struktur zigzag. Jika n=m maka struktur nanotube dinamakan struktur armchair. Selebihnya dinamakan struktur chiral. Perbedaan dalam chiral vector akan menyebabkan perbedaan
sifat struktur, misalnya sifat struktur terhadap cahaya, kekuatan mekanik, dan
konduktivitas elektrik.
SWNT memiliki sifat keelektrikan yang tidak dimiliki oleh struktur
MWNT. Hal ini memungkinkan pengembangan struktur SWNT menjadi nanowire karena SWNT dapat menjadi
konduktor yang baik. Selain itu SWNT telah dikembangkan sebagai pengganti dari field effect transistors (FET) dalam
skala nano. Hal ini karena sifat SWNT yang dapat bersifat sebagai nFET juga p-FET
ketika bereaksi terhadap oksigen. Karena dapat memiliki sifat sebagai n-FET dan
p-FET maka SWNT dapat difungsikan sebagi logic
gate.
b. Multi
Walled Nanotubes (MWNT)
MWNT dibentuk dari beberapa lapisan struktur
grafit yang digulung membentuk silinder.
Atau dapat juga dikatakan MWNT tersusun oleh beberapa
SWNT dengan berbeda diameter.
MWNT jelas memiliki sifat yang berbeda
dengan SWNT.
Gambar 4. Struktur MWNT
Pada MWNT yang hanya memiliki 2 lapis dinding (Double-Walled Carbon NanotubesDWNT) memiliki sifat yang penting
karena memiliki sifat yang menyerupai SWNT dengan chemical resistance yang lebih baik. Hal ini dikarenakan pada SWNT
hanya memiliki 1 lapis dinding sehingga bilamana terdapat ikatan C=C yang rusak
maka akan menghasilkan lubang di SWNT dan hal ini akan mengubah sifat mekanik
dan elektrik dari ikatan SWNT tersebut. Sedangkan pada DWNT masih terdapat 1
lapisan lagi di dalam yang akan mempertahankan
sifatnya.
(a)
(b)
Gambar 5. Struktur Yang Berbeda Dari MWNT (a) MWNT yang
terpisah 0.34 nm (b) Bentuk cone shaped
end caps Yang Simetris Dan Tidak Simetris
c.
Torus
Bentuk struktur ini masih berupa teoritis. Bentuk torus adalah bentuk struktur melingkar
seperti donut. Struktur ini memiliki beberapa sifat yang menonjol seperti momen
magnetik yang lebih besar, stabil dalam suhu, dan sebagainya. Sifat ini akan
bervariasi tergantung dari diameter torus
dan diameter dari nanotube.
d.
Peapod
Struktur ini cukup unik karena terdapat
molekul C60 yang terbungkus di tengah nanotube.
3.
Sifat- sifat Carbonnanotube
a.
Konduktivitas Listrik dan Panas
Sifat
keelektrikan yang dimiliki oleh carbon
nanotube ditentukan oleh struktur yang dimilikinya. Struktur ini menyangkut
diameter dan bagaimana tube
”digulung” menjadi nanotube. Bilamana
mengacu pada gambar 3, maka untuk nanotube
(n,m), bila n-m adalah kelipatan dari 3 maka nanotube tersebut bersifat konduktor, dan selain itu bersifat
semikonduktor. Sehingga untuk struktur armchair
akan selalu bersifat logam (n=m). Nanotube
memiliki densitas arus listrik 1000 kali lebih besar daripada logam seperti
perak dan tembaga.
Ketika
nanotube bersifat sebagai konduktor, nanotube memiliki konduktivitas yang
sangat tinggi. Diperkirakan pada saat nanotube
bersifat sebagai konduktor maka ia mempunyai konduktivitas listrik sebesar 1
milyar Ampere per 1 cm2. Hal ini tidak mungkin terjadi pada bahan
tembaga karena akan terjadi panas yang dapat melelehkan tembaga. Pada nanotube tidak akan terjadi panas yang
tinggi karena hambatan yang rendah. Nanotube
juga memiliki konduktivitas panas yang baik. Hal ini yang kemudian nanotube diberi sebutan ballistic conduction. Nanotube memiliki kemampuan untuk
mentransmisikan 6000 W/m/K di suhu ruangan (pada tembaga hanya 385 W/m/K).
Selain itu nanotube tetap stabil
hingga suhu 2800 oC di ruang hampa udara dan sekitar 750 oC
di udara bebas.
b.
Kekuatan Mekanik
Nanotube memiliki modulus elastik dan
sifat peregangan yang sangat baik. Sifat ini karena ikatan sp2 yang
dimiliki oleh carbon nanotube ini.
Tipe MWNT dapat menangani hingga 63 GPa regangan yang diberikan padanya (pada
baja carbon terbaik saat ini hanya
mampu menahan peregangan hingga 1.2 GPa). Sedangkan modulus elastik yang
dimiliki oleh nanotube dapat mencapai
1 TPa. Saat ini telah diketahui pula nanotube
memiliki kekuatan hingga 48462 kN.m/kg (dibandingkan baja carbon terbaik hanya 154 kN.m/kg).
Gambar 6. Perbandingan Sifat Mekanik Dari Carbon dan Grafit Fiber[12]
c.
Sifat Vibrasi
Atom memiliki pola getaran yang kontinue dan periodik[1].
Pada MWNT, dimana beberapa nanotube
saling terpola satu di dalam yang lain, memperlihatkan bahwa pada lapisan yang
di dalam akan bergetar sedemikian hingga mendekati pola gerakan yang berputar
sempurna tanpa adanya gesekan dengan lapisan di atasnya. Pendekatan ini
kemudian dapat dikembangkan menjadi motor dalam skala nanometer. Pergetaran ini
sangat ditentukan oleh diameter dari nanotube.
4. Pembentukan
Carbonnanotube
Terdapat beberapa cara dalam pembentukan nanotube, namun secara umum yang banyak
digunakan adalah metode pelepasan bunga api (arc discharge), CVD (Chemical
Vapour Deposition), dan laser
ablation.
a. Metode Arc Discharge
Metode ini menggunakan 2 buah batang carbon yang diletakkan saling berhadapan
pada ujungnya dan dipisahkan sejarak kurang lebih 1 mm. Ruang yang terpisah ini
kemudian dialiri gas seperti Helium dan Argon pada tekanan rendah (50-700
mbar).Kemudian arus listrik sebesar 50-100 A dan tegangan 20 volt diberikan
sehingga menciptakan perubahan suhu yang tinggi di antara ujung elektroda
sehingga akan terjadi penguapan di ujung batang tersebut. Kemudian proses ini
akan dilanjutkan dengan pembentukkan lapisan oleh uap dari penguapan batang
tersebut pada ujung batang lainnya. Peristiwa ini dapat dilihat pada gambar 7.
Gambar 7. Proses Pembentukan Nanotube Dengan Arc Discharge[7]
Pada proses ini dapat terbentuk 2 buah
struktur yaitu SWNT dan MWNT. Bilamana diinginkan hasilnya SWNT maka pada anoda
didoping dengan katalis logam seperti Fe, Co, dan Ni. Kuantitas dan kualitas
dari nanotube tergantung dari
beberapa parameter seperti konsentrasi logam yang digunakan, tekanan gas, jenis
gas, dan berbagai parameter lainnya.
Sedangkan pada MWNT
tidak menggunakan doping seperti halnya proses pembentukan SWNT. Namun dalam
proses pembentukan MWNT akan terbentuk berbagai bahan lain yang tidak diinginkan.
Bila diusahakan benar-benar murni maka akan MWNT yang terbentuk akan kehilangan
strukturnya dan dinding struktur yang tidak teratur.
b. Metode CVD (Chemical Vapour Deposition)
Metode ini telah ada sejak tahun 1959
namun baru dipakai sejak tahun 1993 untuk proses pembentukan nanotube. Pada
proses ini carbon disiapkan dengan lapisan partikel logam katalis, seperti
nikel, kobalt, besi, atau kombinasinya dan dikondisikan pada suhu sekitar 700
oC. Sementara itu 2 jenis gas, yaitu gas untuk proses seperti ammonia,
nitrogen, hydrogen dan sebagainya serta gas yang mengandung carbon seperti
acetylene, ethylene, ethanol, methane, dan sebagainya, dialirkan ke dalam
proses.
Gambar 8. Reaktor Pembentukan Metode CVD[4]
Metode Laser Ablation
Metode ini menggunakan
laser untuk menguapkan grafit pada suhu 1200 oC. Ruangan tempat
berlangsungnya proses ini akan diisi dengan gas helium atau argon dan dijaga
tetap pada tekanan 500 Torr. Pada keadaan ini maka akan terbentuk uap yang
kemudian dengan cepat akan kembali dingin. Keadaan ini akan menyebabkan
terbentuknya atom dan molekul carbon
dan akan terbentuk kelompok yang besar. Kelompok-kelompok ini kemudian akan
tumbuh menjadisingle-wall carbon nanotube.
Kondisi yang menggambarkan peristiwa ini digambarkan pada gambar 9.
(a)
(b)
Gambar 9. Metode Laser Ablation[7][8]
5. APLIKASI CARBON NANOTUBES
Berbagai komponen elektronika telah dikembangkan dengan
menggunakan segala kelebihan dari carbon
nanotube. Dioda sebagai salah satu komponen dasar elektronika telah diterapkan
dengan menggunakan nanotube. Contoh
dapat dilihat pada gambar 10. Transistor sebagai rangkaian switching juga telah
dapat digantikan oleh nanotube.
Gambar
10. Penerapan Nanotube Sebagai Dioda
Selain itu ultracapacitor[11],spin transistor[10], FET inverter[3], dan
berbagai komponen gerbang logika[6][7] telah dikembangkan oleh para
periset.Sifat konduktivitas yang baik ditunjukan oleh carbon nanotube menjadikannya dapat menggantikan sifat wire sehingga memungkinkan dikembangkan nanocircuit untuk nanocomputer[6].Penggunaan carbon nanotube sebagai sensor juga telah dikembangkan[9].
Gambar 11. Penggunaan Carbon Nanotube Sebagai Sensor[9]
Carbon nanotube juga telah
diimplementasikan dalam sistem nanoelektromekanikal seperti elemen memory
(NRAM-dikembangkan oleh Nantero Inc) dan motor elektrik skala nano. Pakaian
perang, tangga untuk kapal luar angkasa, hingga kerangka sepeda (Floyd Landis)
telah memakai nanotube sebagai bahan
dasarnya[4].
Ali Tinazli
adalah salah satu seorang ilmuwan yang tergabung dalam group riset dari Cellular Biochemistry Lab di
Johann-Wolfgang-Goethe University of Frankfurt yang mengembangkan sistem
lithography dengan menggunakan teknologi nano protein. Sistem nanolithography
ini memungkinkan untuk menulis, membaca, dan menghapus data yang dapat berupa
dan menggunakan susunan protein. Sistem ini akan memungkinkan pengembangan
dalam bidang biosensor. Sistem nanolithography ini dapat dilihat pada gambar
12.
Gambar 12. Native Protein Nanolithography[5]
6. KESIMPULAN
Teknologi nano adalah bidang teknologi
yang masih tergolong baru dan akan terus berkembang. Perkembangan teknologi ini
akan mengubah teknologi makro menjadi skala nano. Berbagai komponen dasar telah
dikembangkan berdasarkan teknologi nano. Carbon
nanotube sebagai salah satu subjek penelitian ternyata membawa masa depan
yang cukup cerah karena bahan nano ini dapat diterapkan dalam merepresentasikan
berbagai komponen elektronika sekarang ini ke dalam skala nano. Selain itu carbon nanotube juga memiliki kelebihan
baik dalam hal kelistrikan maupun dalam hal lainnya. Berbagai teknik telah
dikembangkan agar dapat menghasilkan struktur nanotube dengan cost
rendah dan kualitas yang menjanjikan.
Tak hanya itu, teknologi nano tidak hanya diarahkan ke bidang
elektronik saja, tetapi juga ke arah biomedical.Pengembangan
ke arah biomedical terutama dalam
mengembangkanbiosensor untuk berbagai
macam penyakit seperti salah satunya untuk mendeteksi sel kanker.
Berkomentar u/ kritik & saran yg baik, demi kemajuan bersama,,