Apa itu Grafena? Inilah Yang Harus Anda Ketahui

Bacaan lebih lanjut

• Sembilan kegunaan luar biasa dari graphene, mulai dari menyaring air hingga cat pintar
• Apa itu Hyperloop? Inilah semua yang perlu Anda ketahui

Saat ini, material baru berpotensi mengubah masa depan. Dijuluki sebagai “supermaterial”, graphene membuat para peneliti di seluruh dunia berebut untuk lebih memahaminya. Daftar panjang sifat-sifat ajaib Graphene membuatnya tampak nyaris ajaib, namun hal ini bisa mempunyai implikasi yang sangat nyata dan drastis bagi masa depan fisika dan teknik.

Apa sebenarnya graphene itu?

Cara paling sederhana untuk mendeskripsikan graphene adalah bahwa ia merupakan satu lapisan tipis grafit — bahan lembut dan bersisik yang digunakan dalam pensil. Grafit adalah alotrop dari unsur karbon, artinya ia memiliki atom yang sama tetapi susunannya berbeda, sehingga memberikan sifat yang berbeda pada material. Misalnya, intan dan grafit merupakan bentuk karbon, namun keduanya memiliki sifat yang sangat berbeda. Berlian sangat kuat, sedangkan grafit rapuh. Atom-atom Grafena tersusun dalam susunan heksagonal.

Menariknya, ketika graphene diisolasi dari grafit, ia memperoleh beberapa sifat ajaib. Ia hanya setebal satu atom, material dua dimensi pertama yang pernah ditemukan. Meskipun demikian, graphene juga merupakan salah satu material terkuat di alam semesta. Dengan kekuatan tarik 130 GPa (gigapascal), 100 kali lebih kuat dari baja.

Kekuatan Graphene yang luar biasa meski sangat tipis sudah cukup untuk membuatnya luar biasa, namun sifat uniknya tidak hanya sampai di situ. Ia juga fleksibel, transparan, sangat konduktif, dan tampaknya kedap terhadap sebagian besar gas dan cairan. Sepertinya tidak ada bidang di mana graphene tidak unggul.

Sejarah graphene: Sebuah gulungan pita, dan sebuah mimpi

Grafit telah dikenal besarannya sejak lama (manusia telah menggunakannya sejak zaman Neolitikum). Struktur atomnya telah terdokumentasi dengan baik, dan untuk waktu yang lama, para ilmuwan merenungkan apakah satu lapisan grafit dapat diisolasi. Namun hingga saat ini, graphene hanyalah sebuah teori, karena para ilmuwan tidak yakin apakah mungkin untuk memotong grafit menjadi satu lembaran setipis atom. Sampel graphene pertama yang diisolasi ditemukan pada tahun 2004 oleh Andre Geim dan Konstantin Novoselov di Universitas Manchester. Kita mungkin mengira bahwa mereka mengisolasi zat yang ada dalam dongeng tersebut dengan menggunakan mesin yang besar dan mahal, namun alat yang mereka gunakan ternyata sangat sederhana: gulungan selotip.

Saat menggunakan selotip untuk memoles balok grafit yang besar, para peneliti melihat serpihan yang sangat tipis pada selotip tersebut. Melanjutkan mengupas lapisan demi lapisan dari serpihan grafit, mereka akhirnya menghasilkan sampel setipis mungkin. Mereka telah menemukan graphene. Penemuan ini sangat aneh, sehingga dunia ilmiah pada awalnya merasa skeptis. Jurnal populer Alam bahkan menolak makalah mereka tentang eksperimen tersebut dua kali. Akhirnya, penelitian mereka dipublikasikan, dan pada tahun 2010 Geim dan Novoselov dianugerahi Hadiah Nobel Fisika atas penemuan mereka.

Aplikasi potensial

Jika graphene hanya memiliki salah satu dari banyak sifat superlatifnya, maka graphene akan menjadi subjek penelitian intensif untuk mengetahui kegunaannya. Menjadi sangat luar biasa dalam banyak hal, graphene telah menginspirasi para ilmuwan untuk memikirkan berbagai kegunaan material, di berbagai bidang seperti teknologi konsumen dan ilmu lingkungan.

Elektronik yang fleksibel

Selain sifat listriknya yang kuat, graphene juga sangat fleksibel dan transparan. Hal ini membuatnya menarik untuk digunakan dalam elektronik portabel. Ponsel pintar dan tablet bisa menjadi lebih tahan lama jika menggunakan graphene, dan bahkan mungkin bisa dilipat seperti kertas. Perangkat elektronik yang dapat dipakai semakin populer akhir-akhir ini. Dengan graphene, perangkat ini dapat menjadi lebih berguna, dirancang agar pas di sekitar anggota badan dan ditekuk untuk mengakomodasi berbagai bentuk olahraga.

Namun, fleksibilitas dan lebar mikroskopis Graphene memberikan peluang lebih dari sekadar perangkat konsumen. Ini juga bisa berguna dalam penelitian biomedis. Mesin dan sensor kecil dapat dibuat dengan graphene, yang mampu bergerak dengan mudah dan tidak berbahaya ke seluruh tubuh manusia, menganalisis jaringan, atau bahkan mengantarkan obat ke area tertentu. Karbon sudah menjadi unsur penting dalam tubuh manusia; sedikit graphene yang ditambahkan mungkin tidak ada salahnya.

Sel surya/fotovoltaik

Graphene sangat konduktif dan transparan. Oleh karena itu, potensinya sangat besar sebagai bahan sel surya. Biasanya, sel surya menggunakan silikon, yang menghasilkan muatan ketika foton mengenai material, melepaskan elektron bebas. Silikon hanya melepaskan satu elektron per foton yang mengenainya. Penelitian telah menunjukkan bahwa graphene dapat melepaskan banyak elektron untuk setiap foton yang menabraknya. Dengan demikian, graphene bisa jauh lebih baik dalam mengubah energi matahari. Tidak lama lagi, sel graphene yang lebih murah dan lebih kuat dapat menghasilkan lonjakan besar energi terbarukan.

Sifat fotovoltaik Graphene juga berarti bahwa ia dapat digunakan untuk mengembangkan sensor gambar yang lebih baik untuk perangkat seperti kamera.

Semikonduktor

Karena konduktivitasnya yang tinggi, graphene dapat digunakan dalam semikonduktor untuk meningkatkan kecepatan perjalanan informasi. Baru-baru ini Departemen Energi melakukan pengujian yang menunjukkan bahwa polimer semi-konduktif menghantarkan listrik jauh lebih cepat bila ditempatkan di atas lapisan graphene dibandingkan lapisan silikon. Hal ini berlaku meskipun polimernya lebih tebal. Polimer setebal 50 nanometer, ketika ditempatkan di atas lapisan graphene, menghantarkan muatan lebih baik daripada lapisan polimer 10 nanometer. Hal ini bertentangan dengan kebijaksanaan sebelumnya yang menyatakan bahwa semakin tipis suatu polimer, semakin baik ia dapat menghantarkan muatan.

Hambatan terbesar penggunaan graphene dalam elektronik adalah kurangnya celah pita, yaitu kesenjangan antara pita valensi dan pita konduksi dalam suatu material yang, jika dilintasi, memungkinkan terjadinya aliran arus listrik. Celah pita inilah yang memungkinkan bahan semi konduktif seperti silikon berfungsi sebagai transistor; mereka dapat beralih antara mengisolasi atau menghantarkan arus listrik, tergantung pada apakah elektronnya didorong melintasi celah pita atau tidak.

Para peneliti telah menguji berbagai metode untuk memberikan celah pita pada graphene; jika berhasil, hal ini dapat menghasilkan perangkat elektronik yang dibuat dengan graphene jauh lebih cepat.

Penyaringan air

Ikatan atom Graphene yang erat membuatnya kedap terhadap hampir semua gas dan cairan. Anehnya, molekul air merupakan pengecualian. Karena air dapat menguap melalui graphene sementara sebagian besar gas dan cairan lainnya tidak dapat menguap, graphene dapat menjadi alat penyaringan yang luar biasa. Para peneliti di Universitas Manchester menguji permeabilitas graphene dengan alkohol dan berhasil melakukannya menyaring sampel minuman beralkohol yang sangat kuat, karena hanya air dalam sampel yang mampu melewatinya graphene.

Tentu saja, penggunaan graphene sebagai filter memiliki potensi lebih dari sekadar menyuling minuman beralkohol yang lebih kuat. Graphene juga bisa sangat membantu dalam memurnikan air dari racun. Dalam sebuah penelitian yang diterbitkan oleh The Royal Society of Chemistry, para peneliti menunjukkan bahwa graphene yang teroksidasi bahkan bisa menarik bahan radioaktif seperti uranium dan plutonium yang ada di air, sehingga cairan bebas darinya kontaminan. Implikasi dari penelitian ini sangat besar. Beberapa bahaya lingkungan terbesar dalam sejarah, termasuk limbah nuklir dan limpasan bahan kimia, dapat dihilangkan dari sumber air berkat graphene.

Karena kelebihan populasi terus menjadi salah satu masalah lingkungan yang paling mendesak di dunia, menjaga pasokan air bersih menjadi semakin penting. Memang benar, kelangkaan air menimpa lebih dari satu miliar orang di seluruh dunia, dan jumlah ini akan terus meningkat mengingat tren yang ada saat ini. Filter graphene memiliki potensi besar untuk meningkatkan pemurnian air, meningkatkan jumlah air tawar yang tersedia. Faktanya, Lockheed Martin baru-baru ini mengembangkan filter graphene yang disebut “Perforene,” yang diklaim perusahaan dapat merevolusi proses desalinasi.

Pabrik desalinasi saat ini menggunakan metode yang disebut reverse osmosis untuk menyaring garam dari air laut. Osmosis balik menggunakan tekanan untuk memindahkan air melalui membran. Untuk menghasilkan air minum dalam jumlah besar, tekanan yang terlibat memerlukan energi yang sangat besar. A Klaim insinyur Lockheed Martin filter Perforene mereka dapat mengurangi kebutuhan energi seratus kali lebih sedikit dibandingkan filter lainnya.

MIT menciptakan graphene dengan “nanopori”

Filtrasi adalah salah satu kegunaan graphene yang paling jelas, dan para insinyur MIT telah membuat langkah besar dalam menyempurnakan kemampuan graphene untuk memisahkan molekul. Pada tahun 2018, sebuah tim di MIT menemukan metode untuk membuat lubang kecil “tusuk jarum” pada lembaran graphene. Para peneliti MIT menggunakan pendekatan “roll-to-roll” untuk memproduksi graphene. Penyiapannya melibatkan dua gulungan: Satu gulungan memasukkan lembaran tembaga ke dalam tungku di mana ia dipanaskan hingga mencapai suhu yang sesuai, kemudian para insinyur menambahkan gas metana dan hidrogen, yang pada dasarnya menyebabkan genangan graphene untuk membentuk. Film graphene keluar dari tungku, berliku ke gulungan kedua.

Secara teori, proses ini memungkinkan terbentuknya lembaran graphene yang besar dalam waktu yang relatif singkat, yang sangat penting untuk aplikasi komersial. Para peneliti harus menyempurnakan proses agar graphene terbentuk dengan sempurna, dan yang menarik, upaya yang tidak sempurna di kemudian hari terbukti berguna. Saat tim MIT mencoba membuat pori-pori pada graphene, mereka memulai dengan menggunakan plasma oksigen untuk mengukirnya. Karena proses ini terbukti memakan waktu, mereka menginginkan sesuatu yang lebih cepat dan mencari solusi dari eksperimen sebelumnya. Dengan menurunkan suhu selama pertumbuhan graphene, pori-pori muncul. Apa yang tampak sebagai cacat selama proses pengembangan akhirnya menjadi cara yang berguna untuk membuat graphene berpori.

Superkonduktivitas

Tidak lama kemudian ilmuwan di Cambridge mendemonstrasikannya bahwa graphene dapat bertindak sebagai superkonduktor (bahan tanpa hambatan listrik) ketika dipasangkan dengan oksida tembaga praseodymium cerium, para peneliti di MIT telah menemukan properti menakjubkan lainnya: Tampaknya dapat berfungsi sebagai superkonduktor saja, dalam konfigurasi yang tepat. Para peneliti menumpuk dua irisan graphene, namun mengimbanginya dengan sudut 1,1 derajat. Menurut laporan yang diterbitkan di Nature, “Fisikawan Pablo Jarillo-Herrero di Massachusetts Institute of Technology (MIT) di Cambridge dan timnya tidak mencari superkonduktivitas saat mereka menyiapkannya percobaan. Sebaliknya, mereka mengeksplorasi bagaimana orientasi yang dijuluki sudut ajaib dapat memengaruhi graphene.”

Apa yang mereka temukan adalah, ketika mereka mengalirkan listrik melalui tumpukan graphene yang tidak terkoordinasi, ia berfungsi sebagai superkonduktor. Proses penerapan listrik yang sederhana ini membuat graphene lebih mudah dipelajari dibandingkan kelas serupa superkonduktor, cuprates, meskipun bahan-bahan tersebut menunjukkan superkonduktivitas jauh lebih tinggi suhu. Kebanyakan bahan yang menunjukkan superkonduktivitas hanya mendekati suhu nol mutlak. Beberapa yang disebut “superkonduktor suhu tinggi” dapat menunjukkan superkonduktivitas pada suhu sekitar 133 Kelvin (-140 Celcius), yang merupakan angka yang relatif tinggi; hidrogen sulfida, di bawah tekanan yang cukup, menampilkan sifat di suhu -70 derajat Celcius yang ajaib!

Susunan graphene harus didinginkan hingga 1,7 derajat di atas nol mutlak, namun para peneliti menganggap perilakunya mirip dengan kurat, dan jadi mereka berharap ini akan menjadi bahan yang lebih mudah untuk mempelajari superkonduktivitas nonkonvensional, yang masih menjadi perdebatan besar di antara para ahli. fisikawan. Karena superkonduktivitas biasanya hanya terjadi pada suhu rendah, superkonduktor hanya digunakan pada mesin mahal seperti mesin MRI, namun para ilmuwan berharap suatu hari nanti dapat menemukan superkonduktor yang dapat bekerja pada suhu kamar, yang akan menurunkan biaya dengan menghilangkan kebutuhan akan pendinginan unit.

Di dalam sebuah penelitian yang diterbitkan pada tahun 2019, para peneliti menunjukkan bagaimana memutar lapisan graphene pada sudut “ajaib” tertentu dapat menghasilkan sifat superkonduktif pada suhu yang lebih rendah dari sebelumnya.

Pertahanan nyamuk

Hanya sedikit makhluk yang sama menjijikkannya dengan nyamuk, karena gigitannya yang gatal dan kecenderungannya menyebarkan penyakit mengerikan seperti malaria. Untungnya, para peneliti di Brown University telah menemukan solusi yang mungkin menggunakan graphene. Penelitian, diterbitkan pada tahun 2019, menunjukkan bahwa lapisan graphene pada kulit tidak hanya menghalangi nyamuk untuk menggigit tetapi bahkan mencegah nyamuk hinggap di kulit. Salah satu penjelasan yang mungkin adalah bahwa graphene mencegah nyamuk mencium mangsanya.

Masa depan penelitian graphene

Mengingat daftar kekuatan graphene yang sepertinya tak ada habisnya, orang pasti berharap bisa melihatnya di mana-mana. Lalu mengapa graphene belum diadopsi secara luas? Seperti kebanyakan hal, ini bergantung pada uang. Graphene masih sangat mahal untuk diproduksi dalam jumlah besar, sehingga membatasi penggunaannya dalam produk apa pun yang memerlukan produksi massal. Terlebih lagi, ketika lembaran graphene berukuran besar diproduksi, terdapat peningkatan risiko munculnya retakan kecil dan cacat lainnya pada material tersebut. Betapapun menakjubkannya suatu penemuan ilmiah, ilmu ekonomi akan selalu menentukan kesuksesan.

Terlepas dari masalah produksi, penelitian graphene tidak melambat. Laboratorium penelitian di seluruh dunia – termasuk Universitas Manchester, tempat graphene pertama kali ditemukan – terus mengajukan paten untuk metode baru dalam membuat dan menggunakan graphene. Uni Eropa menyetujui pendanaan untuk program unggulan pada tahun 2013, yang akan mendanai penelitian graphene untuk digunakan dalam elektronik. Sementara itu, perusahaan teknologi besar di Asia sedang melakukan penelitian terhadap graphene, termasuk Samsung.

Revolusi tidak terjadi dalam semalam. Silikon ditemukan pada pertengahan abad ke-19, namun butuh waktu hampir satu abad sebelum semikonduktor silikon membuka jalan bagi kebangkitan komputer. Mungkinkah graphene, dengan kualitasnya yang nyaris mistis, menjadi sumber daya yang mendorong era sejarah manusia berikutnya? Hanya waktu yang akan memberitahu.

Rekomendasi Editor

• Lampu terapi cahaya terbaik
• Berapa lama peralatan Anda bisa bertahan?
• Pengisi daya tenaga surya terbaik untuk ponsel atau tablet Anda
• 17 Penemu kulit hitam yang mengubah dunia teknologi
• Gadget kesehatan dan kebugaran terbaik