Bahan Terkuat di Dunia, Graphene: 200 Kali Lebih Kuat Dari Baja, 1.000 Kali Lebih Ringan Dari Kertas
Pada tahun 2004, dua ilmuwan di Universitas Manchester melakukan eksperimen sederhana yang menipu dengan konsekuensi yang berpotensi mengubah dunia. Para peneliti, Andre Geim dan Konstantin Novoselov, sedang bermain-main dengan grafit, benda – benda di ujung pensil Anda . Grafit terbuat dari lembaran karbon murni super tipis yang ditumpuk satu sama lain. Geim dan Novoselov ingin melihat apakah mereka dapat mengisolasi satu lembar grafit, lapisan karbon yang sangat tipis yang berukuran hanya setebal satu atom.
Jadi, mereka mengambil gulungan selotip. Ya, selotip transparan yang sama di aplikator plastik yang Anda simpan di laci sampah. Begini cara Geim mendeskripsikan tekniknya , seperti dilansir BBC
Metode selotip berhasil! Dengan mengisolasi selembar lapisan karbon, Geim dan Novoselov dikreditkan dengan menemukan bahan baru yang disebut graphene yang sekarang diyakini sebagai zat yang paling kuat, paling ringan dan paling konduktif secara elektrik di Bumi.
Pada tahun 2010, Geim dan Novoselov berbagi Penghargaan Nobel dalam bidang fisika untuk menemukan graphene, dan para peneliti di seluruh dunia mulai mencari cara untuk menggunakan “supermaterial” yang luar biasa ini untuk membangun baterai yang lebih kuat dan tahan lama, microchip yang lebih cepat, sirkuit fleksibel, biosensor yang dapat ditanamkan. dan banyak lagi. Satu dekade kemudian, graphene belum memenuhi janjinya, tetapi orang dalam yakin bahwa kita akhirnya akan melihat smartphone, mobil listrik, dan sensor yang menggunakan teknologi berbasis graphene dalam beberapa tahun mendatang.
Mengapa Graphene Merupakan Bahan Super?
Mengukur hanya dengan satu atom tebal, selembar graphene memeriksa semua kotak supermaterial:
- Graphene 200 kali lebih kuat dari baja menurut beratnya.
- 1.000 kali lebih ringan dari kertas.
- 98 persen transparan .
- menghantarkan listrik lebih baik daripada bahan lain yang dikenal pada suhu kamar.
- dapat mengubah cahaya pada panjang gelombang apa pun menjadi arus.
Dan, yang tak kalah pentingnya, graphene terbuat dari karbon, unsur paling melimpah keempat di alam semesta, jadi kemungkinan besar kita tidak akan kehabisan.
Graphene mendapatkan kekuatan supernya dari strukturnya . Jika Anda dapat memperbesar cukup dekat, Anda akan melihat bahwa selembar graphene terlihat seperti sarang lebah skala atom. Atom karbon individu tersusun dalam pola heksagonal yang menyerupai kawat ayam. Setiap atom karbon dalam selembar graphene terikat secara kovalen dengan tiga item karbon lainnya, yang memberikan material kekuatan yang luar biasa.
Mengapa graphene menghantarkan listrik dengan baik? Sekali lagi, karena cara atom karbon tersebut terikat. Setiap atom karbon memiliki empat elektron di kulit terluarnya, tetapi hanya tiga dari elektron tersebut yang berbagi dengan tiga atom karbon tetangganya. Elektron yang tersisa disebut elektron pi dan bebas bergerak dalam ruang tiga dimensi, yang memungkinkannya mentransmisikan muatan listrik melintasi lembaran graphene dengan hampir tanpa hambatan. Faktanya, graphene adalah konduktor listrik tercepat pada suhu kamar dari zat apa pun yang diketahui.
‘Sudut Ajaib’
Penemuan baru-baru ini dapat menambahkan kekuatan super lain ke daftar positif graphene. Sebuah tim di Massachusetts Institute оf Technology (MIT) sedang bereksperimen dengan graphene berlapis ganda — dua lapisan graphene atom tunggal yang ditumpuk bersama – ketika mereka menemukan properti graphene baru yang hampir ajaib. Ketika lapisan diputar sedikit keluar dari garis satu sama lain – perpindahan tepat 1,1 derajat – graphene menjadi superkonduktor . Superkonduktor adalah kelas material paling langka yang menghantarkan listrik tanpa hambatan sama sekali dan nol panas.
Penemuan “sudut ajaib” graphene mengirimkan gelombang kejutan melalui komunitas ilmiah. Meskipun percobaan dilakukan pada suhu yang sangat rendah (mendekati 0 derajat Kelvin atau mіnuѕ 459,67 F), percobaan ini membuka kemungkinan bahwa dengan menggabungkan graphene dengan elemen superkonduktif lainnya, kita lebih dekat ke superkonduktivitas suhu kamar. Pencapaian seperti itu secara radikal akan meningkatkan efisiensi energi mulai dari gadget hingga mobil hingga seluruh jaringan listrik.
Bagaimana Mungkinkah Teknologi Transformasi Graphene?
Superkonduktivitas masih beberapa dekade lagi, tetapi produk berbasis graphene revolusioner datang ke pasar lebih cepat, kata Andrea Ferrari, seorang profesor nanoteknologi dan direktur Cambridge Graphene Center .
“Pada 2024, akan ada berbagai produk graphene di pasar,” kata Ferrari, “termasuk baterai, fotonik, kamera night vision, dan banyak lagi.”
Konsumen telah menantikan baterai berbasis graphene selama bertahun-tahun. Thе baterai lithium-ion di semua gadget kami relatif lambat untuk biaya, kehilangan jus mereka dengan cepat dan terbakar setelah sejumlah set siklus. Itu karena proses elektrokimia yang menggerakkan baterai lithium-ion menghasilkan banyak panas.
Tetapi karena graphene adalah konduktor listrik paling efisien di dunia, ia menghasilkan panas yang jauh lebih sedikit saat mengisi atau melepaskan listrik. Baterai berbasis graphene menjanjikan kecepatan pengisian lima kali lebih cepat daripada lithium-ion, masa pakai baterai tiga kali lebih lama, dan lima kali lebih banyak siklus sebelum perlu diganti.
Perusahaan elektronik seperti Samsung dan Huwei secara aktif mengembangkan baterai berbasis graphene untuk smartphone dan gadget lainnya, tetapi yang paling awal akan memasuki pasar adalah tahun 2021 . Adapun baterai graphene di mobil listrik – yang secara dramatis dapat meningkatkan radius mengemudi mereka – itu masih beberapa tahun lagi. Seluruh industri telah dibangun di atas teknologi lithium-ion dan tidak akan berubah dalam semalam.
“Industri baterai sangat konservatif,” kata Jesus de la Fuente, CEO Graphanea , sebuah perusahaan yang memproduksi dan menjual chip berbasis graphene dan graphene murni kepada peneliti akademis dan departemen R&D. “Ini mungkin mengubah komposisi baterai beberapa kali setiap lima hingga sepuluh tahun, yang membuatnya sangat sulit untuk memperkenalkan produk baru di industri ini.”
Ada beberapa baterai berbasis graphene di pasaran, termasuk beberapa pengisi daya kabel dan nirkabel dari perusahaan bernama Real Graphene , tetapi itu hanya puncak gunung es, kata Ferrari, yang juga merupakan petugas sains dan teknologi untuk Graphene Flagship , kolaborasi senilai 1 miliar euro oleh Uni Eropa untuk mempercepat pengembangan teknologi graphene. Mitra penelitian dengan Flagship sudah membuat baterai graphene yang mengungguli sel energi tinggi terbaik saat ini dengan kapasitas 20 persen dan energi 15 persen. Tim lain telah membangun sel surya berbasis graphene yang 20 persen lebih efisien dalam mengubah sinar matahari menjadi listrik.
Kegunaan Lain untuk Graphene
Sementara baterai graphene mungkin yang pertama dipasarkan, para peneliti sibuk mengembangkan aplikasi lain yang tak terhitung jumlahnya untuk bahan ajaib ini.
Biosensor adalah masalah besar. Bayangkan sebuah chip yang sangat tipis dan fleksibel yang dapat disuntikkan ke dalam aliran darah untuk memantau data kesehatan secara real-time seperti tingkat insulin atau tekanan darah. Atau antarmuka graphene yang mengirimkan sinyal bolak-balik ke otak untuk mendeteksi serangan epilepsi yang akan datang atau bahkan mencegahnya. Sensor tipis dan dapat direnggangkan juga bisa dikenakan pada kulit atau ditenun menjadi kain pakaian.
Photonics adalah bidang lain yang sudah memasukkan graphene. Dengan mengintegrasikan graphene ke dalam chip peka cahaya, kamera dan sensor lainnya dapat meningkatkan sensitivitas bahkan ke gelombang cahaya paling redup di seluruh spektrum yang terlihat dan tak terlihat. Itu tidak hanya akan meningkatkan kualitas gambar kamera dan teleskop, tetapi juga citra medis.
Filtrasi adalah aplikasi graphene lain yang menjanjikan. Filter pemurnian air sederhana yang dibuat dengan polimer graphene dapat mengikat kontaminan organik dan anorganik dalam air minum. Para peneliti di Graphene Flagship juga telah menciptakan teknologi desalinisasi berdasarkan dioda graphene yang dapat menghilangkan lebih dari 60 persen garam dari air laut untuk pertanian dan penggunaan lainnya.
Semua perkembangan ini akan memakan waktu, tetapi Ferrari di Cambridge Graphene Centre yakin bahwa graphene akan memenuhi hype-nya. Bahkan, dia sama-sama bersemangat tentang properti yang belum ditemukan dari sekitar 2.000 bahan lapisan tunggal lainnya yang juga diisolasi, metode selotip atau lainnya.
“Kami mengatakan graphene, tetapi kami benar-benar berbicara tentang sejumlah besar opsi yang sedang dieksplorasi,” kata Ferrari. “Segalanya bergerak ke arah yang benar.”
