1. Pendahuluan

Perkembangan material modern tidak lagi dapat dilepaskan dari tuntutan keberlanjutan lingkungan. Kebutuhan manusia akan material dengan kinerja tinggi harus diimbangi dengan kesadaran terhadap dampak ekologis sepanjang siklus hidup material tersebut. Dalam konteks ini, pencarian material alternatif yang ramah lingkungan menjadi agenda penting dalam ilmu material dan rekayasa.

Komposit berbasis serat alami muncul sebagai salah satu kandidat material berkelanjutan yang menjanjikan. Material ini dirancang dengan memadukan matriks polimer dan serat yang berasal dari sumber daya terbarukan, terutama tumbuhan. Pendekatan ini menawarkan solusi terhadap permasalahan limbah material sintetik sekaligus meningkatkan nilai tambah sumber daya alam yang selama ini kurang dimanfaatkan.

Artikel ini menganalisis komposit berbasis serat alami dari perspektif sifat fisis dan tantangan rekayasanya. Pembahasan diarahkan untuk menunjukkan bahwa pengembangan material ini tidak hanya bergantung pada ketersediaan serat alami, tetapi juga pada pemahaman mendalam terhadap struktur mikroskopis, interaksi antarmuka, serta proses pembuatannya. Dengan pendekatan naratif-analitis, komposit berbasis serat alami diposisikan sebagai medan riset interdisipliner yang menjembatani fisika material, kimia polimer, dan rekayasa aplikasi.

2. Komposit dan Posisi Serat Alami dalam Rekayasa Material

Secara konseptual, komposit merupakan material yang dibangun dari kombinasi dua atau lebih komponen dengan tujuan memperoleh sifat yang lebih unggul dibandingkan masing-masing komponen penyusunnya. Dalam banyak aplikasi, komposit dirancang untuk menggabungkan kekuatan mekanik dari fase penguat dengan fleksibilitas atau keuletan dari fase matriks. Interaksi antara kedua fase inilah yang menentukan karakteristik akhir material.

Serat alami menempati posisi unik sebagai penguat dalam sistem komposit. Berbeda dengan serat sintetis seperti kaca atau karbon, serat alami berasal dari struktur biologis yang kompleks dan hierarkis. Komponen utama penyusunnya, seperti selulosa, hemiselulosa, dan lignin, berkontribusi secara berbeda terhadap sifat mekanik, termal, dan higroskopis serat. Variasi komposisi ini menjelaskan mengapa setiap jenis serat alami memiliki karakteristik yang khas.

Keunggulan utama serat alami terletak pada sifatnya yang terbarukan, ringan, dan relatif murah. Selain itu, penggunaan serat alami dapat menurunkan densitas komposit, yang berdampak pada efisiensi energi dalam aplikasi transportasi dan konstruksi. Namun, keunggulan tersebut disertai dengan keterbatasan, seperti ketahanan termal yang rendah, sensitivitas terhadap kelembapan, dan daya lekat yang kurang optimal dengan matriks polimer.

Dalam rekayasa material, keterbatasan ini tidak dipandang sebagai penghalang mutlak, melainkan sebagai tantangan ilmiah. Upaya meningkatkan kinerja komposit berbasis serat alami menuntut pemahaman yang lebih mendalam terhadap struktur serat, mekanisme ikatan antarmuka, dan pengaruh proses manufaktur. Dengan demikian, serat alami tidak hanya diposisikan sebagai pengganti serat sintetis, tetapi sebagai komponen aktif yang membuka arah baru dalam desain material berkelanjutan.

3. Sifat Fisis Komposit Berbasis Serat Alami dan Faktor Penentunya

Sifat fisis komposit berbasis serat alami merupakan hasil interaksi kompleks antara karakteristik serat, matriks, serta proses manufaktur. Tidak seperti serat sintetis yang relatif homogen, serat alami memiliki variasi struktur dan komposisi yang signifikan, bahkan dalam satu jenis serat yang sama. Variasi ini memengaruhi sifat mekanik seperti kekuatan tarik, modulus elastisitas, serta ketangguhan komposit yang dihasilkan.

Salah satu faktor penentu utama adalah fraksi volume serat dalam matriks. Peningkatan fraksi serat umumnya meningkatkan kekakuan dan kekuatan komposit, tetapi hanya sampai batas tertentu. Pada fraksi yang terlalu tinggi, distribusi serat menjadi tidak merata dan meningkatkan kemungkinan terbentuknya cacat seperti rongga atau aglomerasi, yang justru menurunkan kinerja mekanik. Oleh karena itu, optimasi fraksi serat menjadi aspek penting dalam perancangan komposit berbasis serat alami.

Orientasi dan panjang serat juga berperan signifikan. Serat yang terorientasi searah beban mampu memberikan penguatan yang lebih efektif dibandingkan serat acak. Namun, dalam banyak aplikasi praktis, orientasi acak lebih mudah dicapai dan menawarkan isotropi sifat yang lebih baik. Panjang serat menentukan efisiensi transfer beban dari matriks ke serat; serat yang terlalu pendek tidak mampu menahan tegangan secara optimal, sedangkan serat yang terlalu panjang dapat menyulitkan proses pencampuran dan pencetakan.

Selain sifat mekanik, sifat fisis lain seperti densitas, konduktivitas termal, dan perilaku terhadap kelembapan juga menjadi pertimbangan penting. Serat alami bersifat higroskopis, sehingga cenderung menyerap air dari lingkungan. Penyerapan air ini dapat menyebabkan pembengkakan serat, penurunan ikatan antarmuka, dan degradasi sifat mekanik. Dengan demikian, pemahaman sifat fisis komposit berbasis serat alami menuntut pendekatan holistik yang mempertimbangkan kondisi lingkungan penggunaan material.

4. Rekayasa Antarmuka Matriks–Serat dan Implikasinya terhadap Kinerja Material

Antarmuka antara serat dan matriks merupakan elemen kunci yang menentukan keberhasilan komposit berbasis serat alami. Antarmuka berfungsi sebagai jalur transfer beban dari matriks ke serat. Jika ikatan antarmuka lemah, serat tidak dapat dimanfaatkan secara optimal sebagai penguat, meskipun memiliki sifat mekanik intrinsik yang baik.

Tantangan utama dalam rekayasa antarmuka terletak pada perbedaan sifat kimia antara serat alami dan matriks polimer. Serat alami umumnya bersifat hidrofilik karena kandungan gugus hidroksil, sementara banyak matriks polimer bersifat hidrofobik. Ketidaksesuaian ini menyebabkan daya lekat yang rendah dan meningkatkan risiko delaminasi atau pull-out serat saat komposit menerima beban.

Berbagai pendekatan telah dikembangkan untuk meningkatkan kualitas antarmuka. Perlakuan kimia pada permukaan serat, seperti modifikasi alkali atau penggunaan agen pengkopel, bertujuan mengurangi sifat hidrofilik dan meningkatkan kompatibilitas dengan matriks. Selain itu, rekayasa matriks melalui penambahan aditif atau modifikasi kimia juga dilakukan untuk memperkuat interaksi antarmuka.

Implikasi dari rekayasa antarmuka tidak hanya terlihat pada peningkatan kekuatan mekanik, tetapi juga pada ketahanan komposit terhadap degradasi lingkungan. Antarmuka yang kuat dan stabil dapat menghambat penetrasi air dan memperlambat kerusakan material akibat kelembapan. Dengan demikian, rekayasa antarmuka menjadi jembatan antara sifat fisis intrinsik serat alami dan tuntutan kinerja material dalam aplikasi nyata.

5. Tantangan Aplikasi dan Keberlanjutan Komposit Berbasis Serat Alami

Meskipun memiliki potensi besar sebagai material berkelanjutan, komposit berbasis serat alami masih menghadapi tantangan signifikan dalam penerapannya pada skala industri. Salah satu tantangan utama adalah konsistensi kualitas material. Variabilitas sifat serat alami akibat perbedaan spesies, kondisi tumbuh, dan proses pascapanen menyebabkan fluktuasi kinerja komposit yang sulit diprediksi. Dalam konteks industri, ketidakpastian ini menjadi hambatan serius karena standar kualitas dan keandalan material harus dijaga secara ketat.

Tantangan berikutnya berkaitan dengan ketahanan jangka panjang. Paparan kelembapan, fluktuasi suhu, dan beban mekanik berulang dapat mempercepat degradasi komposit berbasis serat alami. Dibandingkan komposit berbasis serat sintetis, material berbasis serat alami cenderung memiliki umur pakai yang lebih pendek jika tidak dirancang dengan perlindungan yang memadai. Oleh karena itu, strategi desain yang mempertimbangkan kondisi lingkungan penggunaan menjadi krusial.

Dari perspektif keberlanjutan, komposit berbasis serat alami juga perlu dievaluasi secara menyeluruh melalui pendekatan siklus hidup. Penggunaan serat alami memang mengurangi ketergantungan pada sumber daya tak terbarukan, tetapi proses pengolahan, penggunaan bahan kimia, dan energi yang terlibat dalam manufaktur tetap memiliki jejak lingkungan. Keberlanjutan material ini tidak dapat dinilai hanya dari bahan bakunya, melainkan dari keseluruhan rantai produksinya.

Dengan demikian, tantangan aplikasi dan keberlanjutan komposit berbasis serat alami menuntut pendekatan integratif. Kolaborasi antara peneliti material, insinyur proses, dan pelaku industri diperlukan untuk merancang solusi yang tidak hanya unggul secara teknis, tetapi juga layak secara ekonomi dan bertanggung jawab secara lingkungan.

6. Refleksi Kritis dan Arah Riset Material Komposit Ramah Lingkungan

Refleksi terhadap perkembangan komposit berbasis serat alami menunjukkan bahwa material ini berada pada persimpangan antara kebutuhan teknologi dan tuntutan keberlanjutan. Keunggulan ekologis yang ditawarkan tidak secara otomatis menjadikannya solusi universal. Diperlukan pendekatan ilmiah yang kritis untuk menilai di mana dan bagaimana material ini dapat memberikan manfaat paling optimal.

Arah riset ke depan perlu menekankan pemahaman multiskala, mulai dari struktur molekuler serat hingga perilaku komposit pada tingkat makroskopis. Integrasi pendekatan eksperimental dengan pemodelan fisis dan komputasi dapat membantu merancang material dengan sifat yang lebih terprediksi dan konsisten. Selain itu, pengembangan metode perlakuan serat dan rekayasa antarmuka yang lebih ramah lingkungan menjadi agenda penting agar tujuan keberlanjutan tidak tereduksi oleh penggunaan bahan kimia agresif.

Dalam konteks Indonesia, potensi serat alami sangat besar mengingat kekayaan sumber daya hayati yang dimiliki. Namun, pemanfaatan potensi ini menuntut penguatan ekosistem riset dan inovasi yang menghubungkan akademisi, industri, dan pembuat kebijakan. Tanpa dukungan ekosistem tersebut, pengembangan komposit berbasis serat alami berisiko berhenti pada skala laboratorium.

Sebagai penutup, komposit berbasis serat alami mencerminkan arah baru dalam rekayasa material yang berupaya menyelaraskan kinerja teknis dengan tanggung jawab lingkungan. Tantangan yang ada bukan alasan untuk meragukan potensinya, melainkan peluang untuk memperdalam riset dan inovasi. Dengan pendekatan yang tepat, material ini dapat berkontribusi signifikan pada transisi menuju teknologi yang lebih berkelanjutan dan kontekstual.

Daftar Pustaka

Widayani. (2022). Komposit berbasis serat alami: Tantangan fisis, rekayasa antarmuka, dan peluang material berkelanjutan. Orasi Ilmiah Guru Besar, Institut Teknologi Bandung.

Faruk, O., Bledzki, A. K., Fink, H. P., & Sain, M. (2012). Biocomposites reinforced with natural fibers: 2000–2010. Progress in Polymer Science, 37(11), 1552–1596.

Pickering, K. L., Efendy, M. G. A., & Le, T. M. (2016). A review of recent developments in natural fibre composites and their mechanical performance. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 83, 98–112.

Satyanarayana, K. G., Arizaga, G. G. C., & Wypych, F. (2009). Biodegradable composites based on lignocellulosic fibers—An overview. Progress in Polymer Science, 34(9), 982–1021.

Mohanty, A. K., Misra, M., & Drzal, L. T. (2005). Natural fibers, biopolymers, and biocomposites. CRC Press.

Bledzki, A. K., & Gassan, J. (1999). Composites reinforced with cellulose based fibres. Progress in Polymer Science, 24(2), 221–274.

Nanoteknologi

Nanoteknologi adalah manipulasi materi pada skala atomik dan skala molekular. Diameter atom berkisar antara 62 pikometer (atom Helium) sampai 520 pikometer (atom Cesium), sedangkan kombinasi dari beberapa atom membentuk molekul dengan kisaran ukuran nano, yaitu ukuran benda yang besarnya: satu per miliar meter (0,0000000001 m) atau satu meter dibagi satu miliar. Istilah Nanoteknologi pertama kali disebut dalam pidato ilmiah Profesor Nario Taniguci tahun 1974.

Deskripsi awal dari nanoteknologi mengacu pada tujuan penggunaan teknologi untuk memanipulasi atom dan molekul untuk membuat produk berskala makro. Deskripsi yang lebih umum adalah manipulasi materi dengan ukuran maksimum 100 nanometer.

Penelitian dan pengembangan

Karena berbagai aplikasi potensial (termasuk industri dan militer), pemerintahan berbagai negara telah menginvestasikan miliaran dolar dalam penelitian nanoteknologi. Sebelum 2012, AS menginvestasikan US$3,7 miliar menggunakan National Nanotechnology Initiative, Uni Eropa menginvestasikan US$1,2 miliar, dan Jepang menginvestasikan US$750 juta. Lebih dari enam puluh negara menciptakan program penelitian dan pengembangan nanoteknologi (R&D) antara tahun 2001 dan 2004. Pada 2012, AS dan UE masing-masing menginvestasikan US$2,1 miliar pada penelitian nanoteknologi, diikuti oleh Jepang dengan US$1,2 miliar. Investasi global mencapai US$7,9 miliar pada 2012. Pendanaan pemerintah dilampaui oleh pengeluaran R&D perusahaan untuk penelitian nanoteknologi, yang mencapai US$10 miliar pada tahun 2012. Pengeluaran litbang korporat terbesar berasal dari AS, Jepang, dan Jerman yang jika digabungkan sebesar US$7,1 miliar.

Aplikasi

Per Agustus 2008, Project on Emerging Nanotechnologies memperkirakan ada sekitar 800 produk nanoteknologi yang tersedia secara umum, dengan 1 produk baru muncul tiap 3-4 minggu. Sebagian besar aplikasi terbatas pada penggunaan nanomaterial pasif "generasi pertama" yang diantaranya termasuk titanium dioksida pada tabir surya, kosmetik, pelapis permukaan, dan beberapa produk makanan; alotrop karbon yang digunakan pada gecko tape; perak pada pengemasan makanan, pakaian, desinfektan, dan peralatan rumah tangga, seng oksida pada tabir surya dan kosmetik, pelapis permukaan, cat, dan pernis furnitur; dan serium oksida sebagai katalis bahan bakar.

Aplikasi lainnya seperti bola tenis yang bisa bertahan lebih lama, bola golf yang bisa terbang lurus, dan bola bowling yang bisa lebih tahan dan permukaannya lebih keras. Celana panjang dan kaus kaki juga telah dimasukkan nanoteknologi sehingga bisa bertahan lebih lama dan tetap dingin pada musim panas. Bandage diinfus dengan nano perak untuk menyembuhkan luka lebih cepat. Konsol permainan video dan komputer pribadi lebih murah, cepat, dan memori lebih tinggi berkat nanoteknologi. Nanoteknologi memungkinkan peralatan medis yang ada saat ini menjadi lebih murah dan mudah digunakan. Mobil dibuat dengan nanomaterial sehingga butuh logam lebih sedikit dan bahan bakar lebih hemat di masa depan.

Ilmuwan saat ini sedang mengembangkan nanoteknologi untuk mesin diesel dengan gas buang lebih bersih. Platina saat ini digunakan sebagai katalis pada mesin diesel. Katalis tereduksi akan mengikat atom nitrogen dari molekul NOx sehingga membebaskan oksigen. Kemudian katalis mengoksidasi hidrokarbon dan karbon monoksida menjadi karbon dioksida dan air. Platina digunakan pada katalis reduksi dan oksidasi. Namun, menggunakan platina tidak efisien karena mahal dan tidak terbarukan. Perusahaan Denmark Innovationsfonden menginvestasikan 15 juta DKK untuk mencari katalis substitusi baru dengan nanoteknologi. Tujuan proyek ini adalah memaksimalkan luas permukaan dan meminimalkan material yang dibutuhkan. Jika luas permukaan katalis yang terekspos gas buang semakin besar, maka efisiensi katalis meningkat. Jika berhasil, penggunaan platina dapat ditekan sampai 25%.

Nanoteknologi juga memainkan peranan penting dalam pengembangan rekayasa jaringan. Ketika mendesain scaffold, ilmuwan mencoba meniru karakteristik skala nano dari suatu sel. Contohnya, ketika membuat scaffold untuk menopang pertumbuhan tulang, ilmuwan dapat meniru osteoklas.

Ilmuwan telah sukses menggunaan nanobot berbasis DNA origami yang dapat membawa fungsi logika untuk mencapai penyampaian target obat pada kecoa. Dikatakan bahwa kemampuan komputasi nanobot ini dapat dinaikkan sampai setara Commodore 64.

Nanoteknologi di Indonesia

Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia telah mengembangkan nanoteknologi sejak tahun 2000-an namun belum mampu mengkomersilkannya. Hal yang paling mendasar dalam menghambat perkembangan teknologi nano di Indonesia adalah ketiadaan alat pengukuran (metrologi) nanomaterial. Bambang Subiyanto, Kepala Pusat Inovasi LIPI menyatakan bahwa sudah 13 tahun pengembangan nanoteknologi di Indonesia berjalan sehingga tahap yang dituju sekarang adalah komersialisasi produk nanomaterial berbasis kegiatan riset.

Sumber: id.wikipedia.org

Material komposit

Material komposit adalah sebuah dan atau sekumpulan material yang terbuat dari dua bahan atau lebih yang tetap terpisah dan berbeda dalam level makroskopik selagi membentuk komponen tunggal.

Bahan Komposit

Bahan komposit (atau komposit) adalah suatu jenis bahan baru hasil rekayasa yang terdiri dari dua atau bisa juga lebih dari dua bahan. dimana sifat masing-masing bahan tersebut berbeda setiap satu sama lainnya baik itu sifat kimia maupun fisika dan tetap terpisah dalam hasil akhir bahan tersebut (bahan komposit).

Keunggulan

Bahan komposit memiliki banyak keunggulan, diantaranya berat yang lebih ringan, kekuatan dan kekuatan yang lebih tinggi, tahan korosi dan memiliki biaya perakitan yang lebih murah karena berkurangnya jumlah komponen dan baut-baut penyambung. Kekuatan tarik dari komposit serat karbon lebih tinggi daripada semua paduan logam. Sehingga hal itu menghasilkan berat pesawat yang lebih ringan, dengan daya angkut yang lebih besar, hemat bahan bakar dan jarak tempuh yang lebih jauh.

Aplikasi 

Militer Amerika Serikat adalah pihak yang pertama kali mengembangkan dan memakai bahan komposit. Pesawat AV-8D mempunyai kandungan bahan komposit 27% dalam struktur rangka pesawat pada awal tahun 1980-an. Penggunaan bahan komposit dalam skala besar pertama kali terjadi pada tahun 1985. Ketika itu Airbus A320 pertama kali terbang dengan stabiliser horisontal dan vertikal yang terbuat dari bahan komposit. Airbus telah menggunakan komposit sampai dengan 15% dari berat total rangka pesawat untuk seri A320, A330 dan A340.

Contoh material komposit

• Plastik diperkuat fiber:
  • Diklasifikasikan oleh jenis fiber:
    • Wood (cellulose fibers in a lignin and hemicellulose matrix)
    • Carbon-fibre reinforced plastic atau CRP
    • Glass-fibre reinforced plastic atau GRP (informally, "fiberglass")
  • Diklasifikasikan oleh matriks:
    • Komposit Thermoplastik
      • long fiber thermoplastics or long fiber reinforced thermoplastics
      • glass mat thermoplastics
    • Thermoset Composites

• Metal matrix composite MMC:
  • Cast iron putih
  • Hardmetal (carbide in metal matrix)
  • Metal-intermetallic laminate
• Ceramic matrix composites:
  • Cermet (ceramic and metal)
  • concrete
  • Reinforced carbon-carbon (carbon fibre in a graphite matrix)
  • Bone (hydroxyapatite reinforced with collagen fibers)
• Organic matrix/ceramic aggregate composites
  • Mother of Pearl
  • Syntactic foam
  • Asphalt concrete
• Chobham armour (lihat composite armour)

• Engineered wood
  • Plywood
  • Oriented strand board
  • Wood plastic composite (recycled wood fiber in polyethylene matrix)
  • Pykrete (sawdust in ice matrix)

• Plastic-impregnated or laminated paper or textiles
  • Arborite
  • Formica (plastic)

Sumber: id.wikipedia.org

Ilmu material

Ilmu material adalah bidang interdisipliner untuk meneliti dan menemukan material. Rekayasa material adalah bidang rekayasa untuk menemukan penggunaan material di bidang dan industri lain.

Asal-usul intelektual ilmu material berasal dari Zaman Pencerahan, ketika para peneliti mulai menggunakan pemikiran analitis dari kimia, fisika, dan teknik untuk memahami pengamatan fenomenologis kuno dalam metalurgi dan mineralogi. Ilmu material masih menggabungkan unsur-unsur fisika, kimia, dan teknik. Dengan demikian, bidang ini telah lama dianggap oleh institusi akademik sebagai sub-bidang dari bidang-bidang terkait ini. Dimulai pada tahun 1940-an, ilmu material mulai dikenal lebih luas sebagai bidang sains dan teknik yang spesifik dan berbeda, dan universitas teknik besar di seluruh dunia membuat sekolah khusus untuk mempelajarinya.

Ilmuwan material menekankan pada pemahaman tentang bagaimana sejarah material (pemrosesan) memengaruhi strukturnya, dan dengan demikian sifat dan kinerja material tersebut. Pemahaman tentang hubungan pemrosesan-struktur-sifat disebut paradigma material. Paradigma ini digunakan untuk memajukan pemahaman di berbagai bidang penelitian, termasuk nanoteknologi, biomaterial, dan metalurgi.

Sejarah

Bahan pilihan dari era tertentu sering kali menjadi titik penentu. Fase-fase seperti Zaman Batu, Zaman Perunggu, Zaman Besi, dan Zaman Baja merupakan contoh yang bersejarah, jika diambil secara acak. Awalnya berasal dari pembuatan keramik dan metalurgi turunannya, ilmu material adalah salah satu bentuk tertua dari ilmu teknik dan ilmu terapan. Ilmu material modern berevolusi secara langsung dari metalurgi, yang dengan sendirinya berevolusi dari penggunaan api. Terobosan besar dalam pemahaman material terjadi pada akhir abad ke-19, ketika ilmuwan Amerika Serikat, Josiah Willard Gibbs, mendemonstrasikan bahwa sifat termodinamika yang terkait dengan struktur atom dalam berbagai fase berhubungan dengan sifat fisik suatu material. Elemen-elemen penting dari ilmu material modern merupakan produk dari Perlombaan Antariksa; pemahaman dan rekayasa paduan logam, serta bahan silika dan karbon, yang digunakan dalam membangun kendaraan antariksa yang memungkinkan penjelajahan ruang angkasa. Ilmu material telah mendorong, dan didorong oleh, pengembangan teknologi revolusioner seperti karet, plastik, semikonduktor, dan biomaterial.

Sebelum tahun 1960-an (dan dalam beberapa kasus beberapa dekade setelahnya), banyak departemen ilmu material yang akhirnya menjadi departemen metalurgi atau teknik keramik, yang mencerminkan penekanan abad ke-19 dan awal abad ke-20 pada logam dan keramik. Pertumbuhan ilmu material di Amerika Serikat dikatalisasi sebagian oleh Advanced Research Projects Agency, yang mendanai serangkaian laboratorium yang diselenggarakan oleh universitas pada awal 1960-an, "untuk memperluas program nasional penelitian dasar dan pelatihan ilmu material."Dibandingkan dengan teknik mesin, bidang ilmu material yang baru lahir difokuskan pada penanganan material dari tingkat makro dan pada pendekatan bahwa material dirancang berdasarkan pengetahuan tentang perilaku pada tingkat mikroskopis. [Karena pengetahuan yang diperluas tentang hubungan antara proses atom dan molekuler serta sifat keseluruhan material, desain material menjadi didasarkan pada sifat spesifik yang diinginkan. Bidang ilmu material sejak saat itu diperluas hingga mencakup setiap kelas material, termasuk keramik, polimer, semikonduktor, material magnetik, biomaterial, dan material nano, yang secara umum diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok yang berbeda: keramik, logam, dan polimer. Perubahan yang menonjol dalam ilmu material selama beberapa dekade terakhir adalah penggunaan simulasi komputer secara aktif untuk menemukan material baru, memprediksi sifat, dan memahami fenomena.

Dasar-dasar

Material didefinisikan sebagai zat (paling sering berupa padatan, tetapi fase terkondensasi lainnya dapat disertakan) yang dimaksudkan untuk digunakan untuk aplikasi tertentu. Ada banyak sekali material di sekitar kita; mereka dapat ditemukan dalam berbagai bentuk, mulai dari material baru dan canggih yang sedang dikembangkan termasuk nanomaterial, biomaterial, dan material energi.

Dasar dari ilmu material adalah mempelajari interaksi antara struktur material, metode pemrosesan untuk membuat material tersebut, dan sifat material yang dihasilkan. Kombinasi yang kompleks dari semua ini menghasilkan kinerja material dalam aplikasi tertentu. Banyak fitur di berbagai skala panjang yang memengaruhi kinerja material, mulai dari elemen kimia penyusun, struktur mikro, dan fitur makroskopis dari pemrosesan. Bersama dengan hukum termodinamika dan kinetika, para ilmuwan material bertujuan untuk memahami dan meningkatkan material.

Struktur

Struktur adalah salah satu komponen terpenting dalam bidang ilmu material. Definisi bidang ini menyatakan bahwa bidang ini berkaitan dengan penyelidikan "hubungan yang ada antara struktur dan sifat-sifat material."Ilmu material meneliti struktur material dari skala atomik, hingga skala makro.

Struktur atom

Struktur atom berhubungan dengan atom-atom bahan, dan bagaimana atom-atom tersebut disusun untuk menghasilkan molekul, kristal, dll. Sebagian besar sifat listrik, magnetik dan kimiawi bahan muncul dari tingkat struktur ini. Skala panjang yang terlibat adalah dalam angstrom (Å). Ikatan kimia dan susunan atom (kristalografi) merupakan hal yang mendasar untuk mempelajari sifat dan perilaku material apa pun.

Ikatan

Untuk mendapatkan pemahaman penuh tentang struktur material dan bagaimana hal itu berkaitan dengan sifat-sifatnya, ilmuwan material harus mempelajari bagaimana atom, ion, dan molekul yang berbeda diatur dan terikat satu sama lain. Hal ini melibatkan studi dan penggunaan kimia kuantum atau fisika kuantum. Fisika zat padat, kimia zat padat, dan kimia fisik juga terlibat dalam studi ikatan dan struktur.

Kristalografi

Kristalografi adalah ilmu yang meneliti susunan atom dalam padatan kristal. Kristalografi adalah alat yang berguna bagi para ilmuwan material. Salah satu konsep mendasar mengenai struktur kristal suatu bahan meliputi sel satuan, yaitu unit terkecil dari kisi kristal (kisi ruang) yang berulang untuk membentuk struktur kristal makroskopik. Bahan struktural yang paling umum termasuk jenis kisi paralelpipa dan heksagonal. Bahan baru dan canggih yang sedang dikembangkan termasuk bahan nano. Dalam kristal tunggal, efek dari susunan kristal atom sering kali mudah dilihat secara makroskopis, karena bentuk alami kristal mencerminkan struktur atom. Lebih jauh lagi, sifat fisik sering kali dikontrol oleh cacat kristal. Pemahaman struktur kristal merupakan prasyarat penting untuk memahami cacat kristalografi. Contoh cacat kristal terdiri dari dislokasi termasuk tepi, sekrup, kekosongan, inter-stitial, dan banyak lagi yang merupakan jenis cacat linier, planar, dan tiga dimensi. Material baru dan canggih yang sedang dikembangkan termasuk nanomaterial, biomaterial.

Struktur nano

Material yang atom dan molekulnya membentuk konstituen dalam skala nano (yaitu membentuk struktur nano) disebut material nano. Nanomaterial menjadi subjek penelitian yang intens dalam komunitas ilmu material karena sifat unik yang mereka tunjukkan.

Nanostruktur berhubungan dengan objek dan struktur yang berada dalam kisaran 1 - 100 nm. Dalam banyak bahan, atom atau molekul menggumpal bersama untuk membentuk objek pada skala nano. Hal ini menyebabkan banyak sifat listrik, magnetik, optik, dan mekanik yang menarik.

Dalam menggambarkan struktur nano, perlu dibedakan antara jumlah dimensi pada skala nano. Permukaan bertekstur nano memiliki satu dimensi pada skala nano, yaitu hanya ketebalan permukaan suatu benda antara 0,1 dan 100 nm.Tabung nano memiliki dua dimensi pada skala nano, yaitu diameter tabung antara 0,1 dan 100 nm; panjangnya bisa jauh lebih besar.

Terakhir, nanopartikel bulat memiliki tiga dimensi pada skala nano, yaitu partikel berukuran antara 0,1 dan 100 nm di setiap dimensi spasial. Istilah nanopartikel dan partikel ultra halus (UFP) sering digunakan secara sinonim meskipun UFP dapat mencapai kisaran mikrometer. Istilah 'struktur nano' sering digunakan, ketika mengacu pada teknologi magnetik. Struktur berskala nano dalam biologi sering disebut ultrastruktur.

Struktur mikro

Struktur mikro didefinisikan sebagai struktur permukaan yang disiapkan atau lapisan tipis bahan yang terlihat oleh mikroskop di atas perbesaran 25×. Ini berkaitan dengan objek dari 100 nm hingga beberapa cm. Struktur mikro suatu bahan (yang secara luas dapat diklasifikasikan menjadi logam, polimer, keramik, dan komposit) dapat sangat memengaruhi sifat fisik seperti kekuatan, ketangguhan, keuletan, kekerasan, ketahanan terhadap korosi, perilaku suhu tinggi/rendah, ketahanan terhadap keausan, dan sebagainya. Sebagian besar bahan tradisional (seperti logam dan keramik) memiliki struktur mikro.

Pembuatan kristal yang sempurna dari suatu bahan secara fisik tidak mungkin dilakukan. Sebagai contoh, setiap bahan kristal akan mengandung cacat seperti endapan, batas butir (hubungan Hall-Petch), kekosongan, atom interstisial atau atom substitusi. Struktur mikro bahan mengungkapkan cacat yang lebih besar ini dan kemajuan dalam simulasi telah memungkinkan peningkatan pemahaman tentang bagaimana cacat dapat digunakan untuk meningkatkan sifat material.

Disadur dari: en.wikipedia.org

Mineralogi

Mineralogi adalah subjek geologi yang mengkhususkan diri pada studi ilmiah tentang kimia, struktur kristal, dan sifat fisik (termasuk optik) mineral dan artefak termineralisasi. Studi spesifik dalam mineralogi meliputi proses asal dan pembentukan mineral, klasifikasi mineral, distribusi geografis, serta pemanfaatannya.

Sejarah

Tulisan awal tentang mineralogi, terutama tentang batu permata, berasal dari Babylonia kuno, dunia Yunani-Romawi kuno, Tiongkok kuno dan abad pertengahan, dan teks-teks Sansekerta dari India kuno dan dunia Islam kuno. Buku-buku tentang topik ini termasuk Natural History of Pliny the Elder, yang tidak hanya menggambarkan banyak mineral yang berbeda, tetapi juga menjelaskan banyak sifat-sifatnya, dan Kitab al Jawahir (Kitab Batu Berharga) oleh ilmuwan Persia Al-Biruni. Pakar Renaisans Jerman, Georgius Agricola, menulis karya-karya seperti De re metallica (Tentang Logam, 1556) dan De Natura Fossilium (Tentang Sifat Batuan, 1546) yang mengawali pendekatan ilmiah terhadap subjek ini. Studi ilmiah sistematis tentang mineral dan batuan berkembang di Eropa pasca-Renaisans. Studi modern tentang mineralogi didasarkan pada prinsip-prinsip kristalografi (asal mula kristalografi geometris, dengan sendirinya, dapat ditelusuri kembali ke mineralogi yang dipraktikkan pada abad ke-18 dan ke-19) dan ke studi mikroskopis tentang bagian batuan dengan penemuan mikroskop pada abad ke-17.

Nicholas Steno pertama kali mengamati hukum keteguhan sudut antar muka (juga dikenal sebagai hukum pertama kristalografi) dalam kristal kuarsa pada tahun 1669. Hal ini kemudian digeneralisasi dan ditetapkan secara eksperimental oleh Jean-Baptiste L. Romé de l'Islee pada tahun 1783. René Just Haüy, "bapak kristalografi modern", menunjukkan bahwa kristal bersifat periodik dan menetapkan bahwa orientasi permukaan kristal dapat diekspresikan dalam bentuk bilangan rasional, yang kemudian dikodekan dalam indeks Miller. Pada tahun 1814, Jöns Jacob Berzelius memperkenalkan klasifikasi mineral berdasarkan kimiawi daripada struktur kristalnya. William Nicol mengembangkan prisma Nicol, yang mempolarisasikan cahaya, pada tahun 1827-1828 ketika mempelajari fosil kayu; Henry Clifton Sorby menunjukkan bahwa bagian tipis mineral dapat diidentifikasi melalui sifat optiknya dengan menggunakan mikroskop polarisasi. James D. Dana menerbitkan edisi pertama A System of Mineralogy pada tahun 1837, dan pada edisi selanjutnya memperkenalkan klasifikasi kimia yang masih menjadi standar. Difraksi sinar-X didemonstrasikan oleh Max von Laue pada tahun 1912, dan dikembangkan menjadi alat untuk menganalisis struktur kristal mineral oleh tim ayah dan anak William Henry Bragg dan William Lawrence Bragg.

Baru-baru ini, didorong oleh kemajuan dalam teknik eksperimental (seperti difraksi neutron) dan daya komputasi yang tersedia, yang terakhir ini memungkinkan simulasi skala atom yang sangat akurat tentang perilaku kristal, ilmu pengetahuan telah bercabang untuk mempertimbangkan masalah yang lebih umum di bidang kimia anorganik dan fisika zat padat. Namun, ilmu ini tetap berfokus pada struktur kristal yang biasa ditemui dalam mineral pembentuk batuan (seperti perovskit, mineral lempung, dan silikat kerangka). Secara khusus, bidang ini telah membuat kemajuan besar dalam memahami hubungan antara struktur skala atom mineral dan fungsinya; di alam, contoh yang menonjol adalah pengukuran dan prediksi yang akurat tentang sifat elastis mineral, yang telah menghasilkan wawasan baru tentang perilaku seismologi batuan dan diskontinuitas terkait kedalaman dalam seismogram mantel bumi. Untuk tujuan ini, dalam fokusnya pada hubungan antara fenomena skala atom dan sifat makroskopis, ilmu mineral (seperti yang sekarang dikenal secara umum) menunjukkan lebih banyak tumpang tindih dengan ilmu material daripada disiplin ilmu lainnya.

Sifat fisik

Langkah awal dalam mengidentifikasi mineral adalah dengan memeriksa sifat-sifat fisiknya, yang sebagian besar dapat diukur dengan menggunakan sampel tangan. Hal ini dapat diklasifikasikan ke dalam densitas (sering kali diberikan sebagai berat jenis); ukuran kohesi mekanik (kekerasan, keuletan, pembelahan, patahan, perpecahan); sifat visual makroskopis (kilau, warna, guratan, pendaran, diafanitas); sifat magnetik dan elektrik; radioaktivitas dan kelarutan dalam hidrogen klorida (HCl).

Kekerasan ditentukan dengan membandingkannya dengan mineral lain. Dalam skala Mohs, satu set standar mineral diberi nomor urut sesuai dengan tingkat kekerasannya dari 1 (talk) hingga 10 (berlian). Mineral yang lebih keras akan menggores mineral yang lebih lunak, sehingga mineral yang tidak dikenal dapat ditempatkan dalam skala ini, berdasarkan mineral mana yang menggores dan yang menggoresnya. Beberapa mineral seperti kalsit dan kyanit memiliki kekerasan yang sangat bergantung pada arah. Kekerasan juga dapat diukur pada skala absolut dengan menggunakan sklerometer; dibandingkan dengan skala absolut, skala Mohs bersifat nonlinier.

Keuletan mengacu pada cara mineral berperilaku, ketika dipatahkan, dihancurkan, dibengkokkan, atau dirobek. Sebuah mineral dapat bersifat rapuh, mudah dibentuk, sectile, ulet, fleksibel, atau elastis. Pengaruh penting pada keuletan adalah jenis ikatan kimia (misalnya, ionik atau logam).

Dari ukuran kohesi mekanik lainnya, pembelahan adalah kecenderungan untuk pecah di sepanjang bidang kristalografi tertentu. Hal ini dijelaskan oleh kualitas (misalnya, sempurna atau adil) dan orientasi bidang dalam nomenklatur kristalografi.

Perpisahan adalah kecenderungan untuk memecah di sepanjang bidang yang lemah karena tekanan, kembaran, atau pelarutan. Jika kedua jenis perpecahan ini tidak terjadi, rekahan adalah bentuk yang kurang teratur yang mungkin berbentuk konkoidal (memiliki kurva halus yang menyerupai bagian dalam cangkang), berserat, serpihan, bergerigi (bergerigi dengan ujung yang tajam), atau tidak rata.

Jika mineral terkristalisasi dengan baik, mineral tersebut juga akan memiliki kebiasaan kristal yang khas (misalnya, heksagonal, kolumnar, botryoidal) yang mencerminkan struktur kristal atau susunan internal atom: 40-41 Hal ini juga dipengaruhi oleh cacat kristal dan kembaran. Banyak kristal bersifat polimorfik, memiliki lebih dari satu kemungkinan struktur kristal yang bergantung pada faktor-faktor seperti tekanan dan suhu.

Struktur kristal

Struktur kristal adalah susunan atom-atom dalam kristal. Hal ini diwakili oleh kisi-kisi titik-titik yang mengulangi pola dasar, yang disebut sel satuan, dalam tiga dimensi. Kisi dapat dicirikan oleh simetri dan dimensi sel satuan. Dimensi-dimensi ini diwakili oleh tiga indeks Miller. Kisi tetap tidak berubah oleh operasi simetri tertentu tentang titik tertentu dalam kisi: refleksi, rotasi, inversi, dan inversi putar, kombinasi rotasi dan refleksi. Bersama-sama, mereka membentuk objek matematika yang disebut kelompok titik kristalografi atau kelas kristal. Terdapat 32 kemungkinan kelas kristal. Selain itu, ada operasi yang menggeser semua titik: translasi, sumbu putar, dan bidang luncur. Dalam kombinasi dengan simetri titik, mereka membentuk 230 kemungkinan grup ruang.

Elemen kimia

Beberapa mineral merupakan unsur kimia, termasuk belerang, tembaga, perak, dan emas, tetapi sebagian besar merupakan senyawa. Metode klasik untuk mengidentifikasi komposisi adalah analisis kimia basah, yang melibatkan pelarutan mineral dalam asam seperti asam klorida (HCl). Unsur-unsur dalam larutan kemudian diidentifikasi menggunakan kolorimetri, analisis volumetrik, atau analisis gravimetri.

Sejak tahun 1960, sebagian besar analisis kimia dilakukan dengan menggunakan instrumen. Salah satunya, spektroskopi serapan atom, mirip dengan kimia basah karena sampel masih harus dilarutkan, tetapi jauh lebih cepat dan lebih murah. Larutan diuapkan dan spektrum serapannya diukur dalam rentang sinar tampak dan ultraviolet. Teknik lainnya adalah fluoresensi sinar-X, analisis mikroprosesor elektron, tomografi probe atom, dan spektrografi emisi optik.

Disadur dari: en.wikipedia.org

BANDUNG, itb.ac.id – Dalam acara bertajuk Future Science and Technology Talk #2 (11/11/2022), Forum Guru Besar ITB membawa salah satu topik diskusi menarik tentang baterai yang saat ini tengah menjadi bahan perbincangan, khususnya di industri kendaraan listrik dan energi terbarukan.

Topik tersebut adalah mengenai nanoteknologi untuk baterai yang disampaikan oleh Afriyanti Sumboja, Ph.D., selaku dosen sekaligus peneliti Prodi Teknik Material Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara (FTMD) ITB.

Afriyanti Sumboja merupakan seorang dosen berperestasi ITB yang telah meraih banyak penghargaan dan mempublikasikan berbagai jurnal-jurnal berlevel internasional di usianya yang masih muda. Tahun lalu beliau berhasil menyabet penghargaan dalam World Ranking Scientists dan masuk ke dalam daftar “Top 2% World Ranking Scientists”. Topik penelitian yang digelutinya saat ini banyak berkaitan dengan pengembangan baterai lithium melalui penerapan nanoteknologi.

Menurut Afriyanti, disampaikan dalam pemaparannya, nanoteknologi adalah bagaimana cara kita mendesain, memproduksi, mengkarakterisasi, ataupun mengaplikasikan material nano yang memiliki perubahan karakter material dalam ukuran nano tersebut.

Material dikatakan berukuran nano pada saat material tersebut setidaknya memiliki satu dimensi yang berukuran di bawah 100 nm. Dalam ukuran tersebutlah material nano mengalami perubahan sifat fisiknya sehingga bisa diaplikasikan untuk kepentingan engineering.

Baterai memiliki dua fungsi kerja utama yaitu sebagai alat penyimpan energi sekaligus alat pengkonversi energi. Baterai harus memiliki kemampuan untuk menyimpan energi dalam bentuk energi kimia pada saat diisi. Saat digunakan, baterai mampu mengkonversi energi kimia tersebut menjadi energi listrik dan mengalirkannya ke alat.
Dewasa ini banyak penelitian yang mengembangkan baterai dengan tujuan untuk meningkatkan densitas energi pada baterai sehingga dapat digunakan untuk menyuplai energi yang lebih besar. Misalnya untuk suplai energi pada kendaraan listrik atau bahkan untuk menyimpan energi dari sumber daya energi terbarukan.

Afriyanti menjelaskan bahwa untuk meningkatkan densitas energi pada baterai terdapat dua cara yang bisa dilakukan. Pertama adalah dengan meningkatkan kapasitasnya sehingga dapat menyimpan ion-ion litium dalam jumlah yang lebih banyak.

Cara kedua yaitu meningkatkan voltase baterai. Kedua cara tersebut dapat dilakukan melalui rekayasa anoda dan katoda sehingga mencapai karakter baterai yang diharapkan.

Pada katoda perlu dibuat suatu material yang mampu menyimpan ion-ion litium dalam jumlah yang besar serta memiliki voltase yang tinggi. Jumlah katoda pada baterai pun harus memakan persentase yang lebih banyak dalam dimensi volume baterai.

Sementara pada anoda juga perlu dibuat material yang mampu menyimpan ion litium dalam jumlah yang lebih banyak, namun membutuhkan voltase yang lebih rendah. Dengan demikian volume anoda pada dimensi baterai pun dibuat menjadi lebih sedikit.

Bagaimanakah peran nanoteknologi dalam pengembangan baterai di masa depan? Menurut Afriyanti, dibuktikan melalui penelitian bersama timnya, penerapan nanoteknologi pada baterai mampu mempersingkat waktu pengisian baterai. Hal ini dapat dicapai karena nanomaterial membuat jarak tempuh perpindahan ion dapat diperpendek sehingga waktu perpindahan ion pun lebih singkat saat berdifusi.

Selain itu karakteristik material nano yang memiliki luas permukaan yang besar membuat proses penyerapan ion pada baterai dapat berlangsung lebih cepat.
Secara termodinamika, memperkecil material dapat mengubah potensial terjadinya reaksi pada baterai.

Nanoteknologi pun membuat baterai lebih tahan secara fisik dan tidak mudah bocor. Dengan memperkecil material, Afriyanti menegaskan, kapasitas baterai dapat meningkat.

Material yang memiliki kapasitas tinggi dan dapat diterapkan sebagai anoda adalah material silicon (Si) yang memiliki kapasitas hingga 10 kali lebih besar daripada grafit yang saat ini digunakan sebagai anoda pada baterai.

Namun kelemahan dari silicon adalah ia mudah pecah pada saat menyerap banyak litium. Oleh karena itu penelitian yang dilakukan oleh Arfiyani dan timnya membuat suatu rekayasa silicon dengan melakukan polymer coating pada silikon berupa Si-poluaniline nanowire. Penelitian ini membuahkan hasil berupa baterai yang mampu bertahan hingga 350 cycle dan bisa digunakan pada arus listrik yang tinggi. Kendati demikian, pengembangan atas penelitian tersebut tetap dilakukan untuk lebih mengoptimalkan nanoteknologi dalam baterai.