Aplikasi Kimia : Pembuatan Partikel Nano dan Aplikasinya di Kehidupan Sehari-hari

Produk-produk dari industri kimia yang digunakan untuk memproduksi benda-benda yang sangat bervariasi dalam ukuran mislanya girder atau balok besar besi untuk membangun jembatan, chip silikon dalam pembuatan mikroprosesor. Sekarang ini terdapat teknik yang memungkinkan untuk memanipulasi materi pada skala atom atau molekul untuk menghasilkan benda dengan diameter yang tidak lebih dari beberapa nanometer. Nanometer adalah 1 x 10^-9 meter (sepermilyar meter). Ini 1000 kali lebih kecil dari proses pembuatan chip. Silikon yang digunakan untuk membuat dan memanipulasi bahan tersebut dikenal sebagai nanoteknologi dan bahan atau benda itu sendiri disebut Nanomaterials.

Sunset yang disebabkan oleh nanopartikel di atmosfer atas Palm Island di Grenadines, Karibia (foto : Alan Smith)

Nanoteknologi sekarang digunakan dalam kimia, fisika, biologi dan rekayasa. Kecilnya partikel nano tersebut menyebabkan sifat yang sangat berguna. Beberapa sifat ini muncul dari peningkatan besarnya luas permukaan, misalnya bahan bubuk diubah menjadi partikel nano dengan diameter beberapa nanometer. Peningkatan luas permukaan akan menyebabkan peningkatan laju reaksi yang terjadi pada permukaan material. Dimensi kecil nanomaterials juga menyebabkan kemungkinan bahan ini membentuk campuran yang baik dengan bahan lain dengan maksud untuk meningkatkan sifat-sifat material tersebut. Dalam perawatan medis partikel nano dapat disesuaikan untuk memberikan kemungkinan yang lebih untuk membuat beberapa obat lebih tepat.

Rambut yang tertebal dari lalat ini memiliki diameter sekitar 5.000 nanometer (foto : Bruce G Marcot)

Seperti dapat dilihat pada gambardibawah , bahan atau benda yang perlu diukur dalam nanometer selalu ada tetapi teknik untuk memanipulasi materi pada skala ini baru dikembangkan selama dua puluh tahun terakhir ini .

Skala untuk menunjukkan dimensi relatif dari berbagai objek. (Foto : Alan Smith)

Penemuan dan pengembangan scanning tunneling microscope (STM) pada tahun 1981 di Laboratorium IBM di Swiss pada dasarnya telah memberikan teknologi dasar untuk bekerja pada skala nano. Dengan memindai permukaan bahan, tidak hanya menjadi mungkin untuk memvisualisasikan atom dan molekul individu, tapi kita bahkan bisa mmengambil partikel tersebut dan memindahkan ditempat lainya. Salah satu momen menentukan itu terjadi pada tahun 1989, ketika para ilmuwan IBM menggunakan STM untuk mengeja huruf IBM dalam atom tunggal xenon pada permukaan kristal nikel.

Sebuah model dari molekul buckyball (buckminsterfullerene, C60)  yang dihasilkan komputer (foto : Alan Smith).

Ini adalah penemuan dari alotrop karbon, buckminsterfullerene, C60, (yang dikenal sebagai buckyballs) pada tahun 1985 (Gambar atas) dan produksi nanotube karbon, merupakan penggunaan khusus selanjutnya nanopartikel dari tanah liat, yang menyebabkan berkembangnya penggunaan nanomaterials luar industri mikroprosesor. Karbon nanotube menyerupai lembaran grafit yang telah digulung menjadi silinder (Gambar bawah), ikatan antara atom karbon yang sama antara atom karbon dalam grafit. Ujung-ujungnya ditutup dengan buckyball. Nanotube mempunyai diameter 1 nm (meskipun beberapa telah dibuat yang jauh lebih kecil, 0,4 nm) dan dapat selama beberapa nm. Mereka dapat menyesuaikan diri menjadi 'tali' oleh ikatan antarmolekul.

Model umum diambil komputer dari nanotube (Foto : Thomas Swan and Co)

Sama seperti nanotube berdinding tunggal, karbon nanotube berdidinding ganda dan berdidinding banyak dapat diproduksi dengan cara yang sama (Gambar bawah). Bahan-bahan ini telah terbukti menjadi serat yang paling keras dan kuat dan memiliki sifat yang luar biasa untuk menghantarkan listrik

.

Sebuah model yang dihasilkan komputer dari karbon nanotube lapis banyak  (foto : Thomas Swan and co)

Pembuatan

Nanomaterials dapat dibuat dengan memotong struktur makro untuk skala nano (top-down approach) atau dengan merakit struktur dari atom dan molekul (pendekatan bottom-up). Contoh pendekatan top-down terlihat dengan pembuatan mikroprosesor, di mana gelombang pendek ultra-violet dan elektron balok yang digunakan untuk memotong wafer silikon yang digunakan untuk menghasilkan 'sirkuit' dengan struktur nano (kurang dari 50 nm). Bagaimanapun pembuatan dengan cara ini cenderung sangat boros bahan mahal yang terukir pergi selama proses tersebut.

Membuat bahan dari atom oleh atom, atau molekul demi molekul, menciptakan limbah yang sedikit. Struktur nano terbentuk karena setiap atom atau molekul mengenali posisi alaminya, mirip dengan ion membangun struktur kristal dari larutan. Produksi terus menerus Nanomaterials dalam jumlah besar sudah didirikan hingga berjumlah beberapa ton. Di antara metode yang digunakan untuk memproduksinya adalah deposisi uap fisik dan kimia.

Sebuah diagram garis yang menggambarkan deposisi uap kimia (Foto :Dr Marcelo Motta, Thomas Swan dan Co Ltd) 

Dalam deposisi uap fisik (PVD), bahan yang diuapkan oleh panas dalam tungku atau dengan laser berdenyut. Uap ini kemudian terkondensasi pada permukaan yang dingin. Misalnya, satu-dinding nanotube karbon dapat dibuat dengan menguap karbon target dalam tungku pada sekitar 1500 K menggunakan laser yang memungkinkan uap mengembun pada permukaan yang dingin. Gas inert dialirkan ke dalam reaktor selama proses untuk mencegah oksidasi uap karbon. Dalam deposisi uap kimia (CVD), reaksi terjadi dalam fase uap antara dua atau lebih bahan dan / atau uap bereaksi dengan bahan target.

Teknologi produksi massal ini telah digunakan untuk memproduksi berbagai bahan  ukuran partikel berkisar di 20-100 nm (nanopowders). Sebagai contoh senyawa yang digunakan dalam industri elektronik, seperti silikon dioksida (dari hidrida silikon dan oksigen) dan silikon nitrida (dari hidrida silikon dan amonia), yang dibuat dengan cara ini. Beberapa logam (misalnya, nikel dan tungsten) ukuran nano juga dibuat dengan cara CVD, dengan mengurangi klorida dengan hidrogen pada suhu tinggi. CVD diperkirakan cara yang paling menjanjikan untuk produksi karbon nanotube (Gambar atas).

Kegunaan

Pada bagian ini, dibahas berbagai macam kegunaan nanomaterials, beberapa di antaranya sedang dalam produksi di negara maju dan negara berkembang

Gelas di Piala Lycurgus (mungkin dibuat di Roma pada abad ke-4 Masehi) dan sekarang di Museum Inggris mengandung nanopartikel perak dan emas. Pada awalnya berwarna hijau, tapi saat dipegang ke arah cahaya, perubahan warna menjadi bersinar merah. (Foto :British Museum)

1. Katalisis

Katalisis heterogen terjadi ketika reaksi terjadi pada permukaan katalis padat. Salah satu aplikasi katalitik yang sudah dikembangkan adalah penggunaan cerium (IV) oksida nanopartikel yang ditambahkan ke mesin diesel dan bahan bakar bio-diesel dalam jumlah yang sangat kecil (5-10 ppm). Ketika bahan bakar diesel dibakar di mesin, maka tidak sepenuhnya partikel halus karbon teroksidasi, karbon monoksida serta bahan bakar yang tidak bereaksi dipancarkan. 

perusahaan bus, Stagecoach, di Inggris, telah bereksperimen dengan menggunakan cerium (IV) nanopartikel oksida ditambahkan ke bahan bakar diesel. Uji coba berlangsung di daerah pedesaan (di barat utara Inggris) dan sebuah kota (London). Setiap percobaan yang terlibat 300 bus. Ditemukan bahwa ada penghematan bahan bakar 6% dan 5%

Bahan aditif, cerium (IV) oksida bertindak sebagai katalis heterogen dan memastikan bahwa bahan bakar dibakar sepenuhnya menjadi karbon dioksida dan air, sehingga mengarah ke peningkatan efisiensi bahan bakar sebanyak 4-11% dan lebih sedikit polusi (sekitar 18 % kurang partikel dipancarkan). Karena ukurannya cerium (IV) nanopartikel oksida membentuk larutan homogen dalam bahan bakar dan dengan demikian mudah dicampur dengan bahan bakar, yang kemudian tidak memerlukan peralatan khusus dan pengiriman tidak memerlukan modifikasi pada mesin kendaraan. Katalis dalam catalytic converter untuk mobil adalah nanopartikel paduan paladium dan rhodium.

Gedung di Ottawa ini telah dibangun dengan kaca yang memiliki film transparan nanopartikel titanium dioksida. Mereka mengkatalisis fotodegradasi kotoran oleh sinar matahari UV. Produk degradasi lebih kecil dapat segera dicuci oleh hujan, sehingga membuat jendela kaca ini membersihkan diri  dan meningkatkan kemampuan mereka untuk menghasilkan refleksi  (Foto : Alan Smith).

2. Plastik dan kaca

Karbon nanotube tidak hanya sangat kuat, tetapi juga fleksibel. Mereka bisa diputar dan ditekuk tanpa pecah. Sehingga mereka digunakan dalam polimer dan komposit untuk memperkuat struktur, untuk meningkatkan konduktivitas material listrik dan untuk meningkatkan perpindahan panas.

Di sisi lain, komposit yang mengandung nanopartikel silika menahan panas dari mesin mobil dan karena itu bisa digunakan sebagai bagian-bagian mesin. Bahan nanokomposit terbuat dari tanah liat-diperkuat poliamida, Sekarang Toyota menggunakan nanotube untuk membuat panel untuk mobil, yang sebanyak 30% lebih ringan dari struktur yang ada, dan dua kali lebih tahan terhadap peyok dan goresan seperti pada polimer konvensional. Hal ini menghasilkan mobil yang lebih ringan, sehingga mobil lebih hemat bahan bakar dan aman bagi lingkungan.

Selain digunakan untuk mobil, baru-baru ini sudah dalam pemgembangan, yaitu ban tahan aus. Lempung skala Nanometer digabungkan dengan polimer, misalnya poli (2-chlorobuta-1,3-diena) (neoprene), polimer seperti karet, menghasilkan i kekerasan ekstrim seperti yang ditunjukkan oleh beberapa Nanomaterials.

Airbus 380 menggunakan sekitar 20% bahan komposit yang mengandung Nanomaterials, sehingga menghemat bahan bakar (foto : Paul Grover)

Sifat daya hantar listrik dari nanotube karbon juga dapat memberikan konduktivitas untuk polimer (termasuk poliamida seperti nilon), sementara pada saat yang sama membuat mereka lebih kuat dari logam. Bahan tersebut sekarang digunakan dalam saluran bahan bakar di mobil dan pompa bensin, mengurangi risiko akibat percikan sebagai bahan bakar yang dikirim dari pompa.

3. Tekstil dan kain

Sebuah 'bulu' kain telah diproduksi yang berisi nanopartikel karbon, berasal dari bambu, yang di masukan berbagai serat (rayon, poliester dan poliamida). Mempunyai daya serap tinggi, daerah permukaan yang luas dan memodifikasi permukaan nanopartikel, maka baju nanopartikel dapat digunakan untuk memberikan sifat, termasuk anti-bakteri, anti-jamur, penghilang bau, pengatur panas dan fleksibel, namun lembut dan nyaman dipakai. Nanopartikel tertanam dalam serat sebagai pelapis, dan tidak dikeluarkan dari kain saat dicuci.

4. Kesehatan dan perawatan pribadi

Nanoteknologi akan memiliki dampak yang sangat besar dalam industri kesehatan dan perawatan pribadi, karena dimensi yang sangat kecil nanopartikel dan mobilitas mereka. Tingkat reaktivitas kimia, lokasi efek, dan waktu pengobatan semua dipengaruhi oleh ukuran partikel. Pemberian obat yang efisien sedang diuji. Perangkat microelectromechanical biologis (BioMEMS) ditanamkan ke dalam tubuh untuk memberikan dosis obat atau membawa sel-sel baru untuk jaringan yang rusak membawa konsep nanosurgery

Nanopartikel perak memberikan sifat antiseptik yang kuat dan digunakan, misalnya, dalam karton makanan bayi untuk mencegah kontaminasi silang dan di dressing kain (foto : Alan Smith)

Di bidang pencitraan biomedis, penggunaan nanopartikel sebagai peningkat resolusi gambar yang sedang dikembangkan. Penyelidikan gambar dan pelapisan implan yang dapat dimasukkan ke dalam tubuh manusia dengan ukuran partikel 2-10 nm. Sifat magnetik ditingkatkan besi (III) oksida nanopartikel membuat mereka cocok untuk digunakan sebagai bahan pembeda dalam pencitraan resonansi magnetik (MRI). Dalam studi dan pengobatan kanker, nanocarriers dapat digunakan untuk memberikan agen pencitraan untuk sel-sel kanker sehingga membuatnya lebih mudah untuk menemukan sel-sel kanker secara tepat dan membuat pengobatan jauh lebih efektif.. Salah satu teknik yang dicoba adalah dengan menyuntikkan pasien dengan nanopartikel tertentu, misalnya emas karena ketahanan terhadap korosi. Nanopartikel emas yang terletak di sebuah tempat di sel kanker dapat disinari dengan inframerah untuk memanaskan mereka dan menghancurkan sel-sel kanker di dekatnya.

Kosmetik telah tersedia dari bahan yang mengandung nanopartikel, masih di teliti sifat yang timbul dari daerah permukaan yang sangat tinggi. Ini termasuk lotion matahari dan krim anti-penuaan. Nano titanium dioksida, yang mengandung jumlah yang sangat kecil dari mangan (II) oksida, sedang digunakan dalam lotion anti UV sebagai campuran menyerap radiasi UV yang berbahaya. Nanopartikel begitu kecil dan tidak terlihat dengan mata telanjang dan lotion tetap terlihat jernih. Nanopartikel stabil terhadap cahaya dan bekerja dengan mengurangi bahan berbahaya (radikal bebas),yang terbentuk pada kulit dari paparan sinar matahari, yang menyebabkan penuaan kulit dini dan kanker kulit.

Penelitian sedang dilakukan untuk menguji efektivitas nanopartikel dalam terhadap anti-penuaan untuk memberikan perlindungan dari radiasi UV yang berbahaya dan mereka juga dapat digunakan untuk memberikan vitamin yang tepat dan melembutkan kulit, sehingga mengurangi keriput. Seng oksida, seng dan nanopartikel perak yang digunakan untuk sifat anti-mikroba dan anti-bakteri dalam beberapa pengobatan kulit.

Nanopartikel tembaga (I) oksida, menghasilkan sifat anti-jamur, sedang dimasukkan ke dalam pelapis, serat, polimer, perban, plastik dan sabun.

5. Olahraga dan rekreasi

Karbon nanotube menghasilkan komposit dengan resin epoxy dengan kekuatan tarik 5 -10 kali lebih tinggi dari serat karbon diperkuat bahan yang sama. Tiang-tiang kapal pesiar telah diproduksi secara komersial, yang sampai 30 kali lebih kaku tanpa perlu menambah ekstra berat kapal

Lempung nano-tersebar dan karet butil (poli (2-methylpropene)) memberikan seal yang sangat baik untuk udara. Bagian dalam bola tenis dapat disemprot dengan larutan yang mengandung bahan tersebut dan ini membuat bola tenis lebih ketat udara dari bola tenis biasa dan akan mempertahankan tekanan udara, dan karenanya bouncing mereka lebih lama (foto : Alan Smith)

Aplikasi lain dari karbon nanotube komposit diperkuat termasuk raket tenis, pancing, dan panel bodi mobil yang digunakan dalam balap mobil untuk kekuatan dan ringan, sehingga meningkatkan kinerja. Sifat bantalan sol sepatu telah diperbaiki dengan memasukkan nanopartikel sehingga mengubah struktur telapak polimer, sementara pada saat yang sama memperlama daya tahan dan kekerasan ditingkatkan dengan kehadiran nanopartikel.

6. Kesehatan dan keselamatan dan lingkungan

Kekhawatiran terbaru tentang nanopartikel adalah apakah ukuran yang kecil dan sifat baru dapat menimbulkan kesehatan yang signifikan atau risiko lingkungan. Ada banyak perdebatan atas keselamatan dan dampak lingkungan dari nanoteknologi. Salah satu perhatian khusus adalah risiko penyebab kanker potensial dari partikel terhirup mirip dengan yang ditimbulkan oleh serat asbes.

Karena banyak aplikasi yang dijelaskan di atas melibatkan nanopartikel yang terkunci dalam komposit polimer, film dan serat, tidak diharapkan bahwa Nanomaterials tersebut akan menimbulkan ancaman bagi kesehatan dan keselamatan pengguna. Lebih penting bagaimanapun, adalah pemaparan operator pabrik penanganan 'bahan mentah' nanopartikel dalam membuat bahan-bahan ini. Sebelum penerapan universal nanoteknologi benar-benar dapat maju lebih jauh, studi definitif pengaruh nanopartikel pada tubuh dan lingkungan harus diselesaikan.

Di sisi lain, beberapa masalah lingkungan global mungkin akan diselesaikan menggunakan Nanomaterials. Salah satu dampak potensi terbesar dari nanoteknologi pada kehidupan sebagian besar orang di Bumi bisa desalinasi dan pemurnian air, menyediakan air segar dari lautan dan dari sumur payau. Penelitian ini berjalan pada membran di mana karbon nanotube tertanam untuk menambah kekuatan membran dan membuatnya lebih efisien. Lagi karena daerah permukaan yang tinggi, Nanomaterials, seperti beberapa silikat, membuat filter yang sangat baik untuk menjebak logam berat dan polutan lainnya dari air limbah industri.

Masa depan

Nanoteknologi sudah memiliki dampak di banyak bidang ilmu kimia dan bahan. Akan terlihat bahwa hanya imajinasi kita akan membatasi aplikasi luas nanoteknologi. Hal ini percaya diri meramalkan bahwa industri berbasis nanoteknologi akan menghasilkan penjualan diatas $ 1 triliun secara global pada tahun 2015.