BAB I PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Memasuki abad ke-21 terjadi penemuan penting mengenai sifat-sifat dan kinerja material pada skala nanometer atau sepersatu miliar meter (10-9 m), yang ternyata memiliki keunikan dan keunggulan dibandingkan pada skala meter atau bahkan mikro meter (10-6 m) seperti dikenal selama ini. Teknologi skala nano disebut nanoteknologi telah mengubah paradigma dan cara pandang terhadap teknologi karena material didesain dan disusun dalam orde atom peratom atau molekul-permolekul, sehingga diperoleh suatu bahan yang memiliki sifat istimewa, jauh mengungguli mengungguli material yang ada sekarang ini. Banyak bahan telah diteliti dalam rangka mencari bahan baru yang lebih unggul bagi kehidupan manusia. Tulisan ini merupakan tinjauan (review) yang menceritakan tentang nanofiber dan electrospinning, serta sifat-sifat dari produk yang dihasilkannya. Electrospin dihasilkannya. Electrospin adalah adalah alat untuk membuat serat nano yang berasal dari berbagai bahan organik sebagai polimer alam, polimer buatan, komposit dan lain-lain. Diameter seratnya dapat dibuat sampai kehalusan serat dua nanometer atau lebih besar bergantung dengan bahan yang digunakan. Nanofiber dan electrospinning mempunyai
peran
yang
sangat
besar
dalam
menunjang
nanotechnology nanotechnology dan produknya karena sangat berguna sebagai tekstil pelindung, ruang angkasa, kedokteran, farmasi, bedah tulang, kedokteran mata, elektronika, militer, olah raga, otomotf, alat pertanian dan sebagainya. Bahan baru yang berkualitas serta ramah lingkungan sangat diperlukan untuk memenuhi kebutuhan kehidupan manusia masa depan. Nanotechnology merupakan Nanotechnology merupakan teknologi yang bertujuan mengendalikan molekul atau atom individu untuk menciptakan bahan dan peralatan yang beribu kali lebih kecil dibanding kondisi teknologi sebelumnya. Satu nanometer (nm) adalah 10 -9 meter, sebagai perbandingan dari jarak karbon C60 adalah sekitar 12-15 nm, dan DNA double-helix mempunyai diameter sekitar 2 nm. Kita dapat membayangkan
bakteri Mycoplasma, ukuran lebarnya sekitar 200 nm, Mikrokristal antara 2 – 500 nanometer. Hingga saat ini, pembuatan struktur nano satu dimensi, seperti nanofiber , nanorod , nanobelt dan nanotube dengan menggunakan berbagai jenis material dan berbagai teknik sudah banyak dilakukan oleh para peneliti. Hasil penelitannya menunjukkan karakteristik unik yang brebeda-beda dengan keunggulannya.
B. Rumusan Masalah
Apa itu nanoteknologi khususnya nanofiber ?
Bagaimana sifat nanofiber ?
Bagaimana cara pembuatan nanofiber ?
Apa kegunaan nanofiber dalam kehidupan sehari – hari ?
Apa saja tantangan dalam pembuatan nanofiber ?
C. Tujuan
Mengetahui apa itu nanoteknologi khususnya nanofiber
Mengetahui sifat nanofiber
Mengetahui cara pembuatan nanofiber
Mengetahui aplikasi atau kegunaan nanofiber dalam kehidupan sehari – hari
Mengetahui tantangan dalam pembuatan nanofiber
BAB II PEMBAHASAN
A. Pengertian
Pada tahun 2010 sampai 2020 akan terjadi perkembangan luar biasa dalam penerapan nanoteknologi di dunia industri. Hal ini menandakan bahwa dunia saat ini sedang mengarah pada revolusi nanoteknologi. Pertama kali konsep nanoteknologi diperkenalkan oleh Richard Feynman pada sebuah pidato ilmiah yang diselenggarakan oleh American Physical Society di Caltech (California Institute of Technology), 29 Desember 1959. dengan judul “There’s Plenty of Room at the Bottom”. Pada tahun 1980an definisi Nanoteknologi dieksplorasi lebih jauh lagi oleh Dr. Eric Drexler melalui bukunya
yang
berjudul
“Engines
of
Creation: The
coming
Era
of
Nanotechnology”. Nanoteknologi adalah pembuatan dan penggunaan materi atau alat pada ukuran sangat kecil. Materi atau alat ini berukuran antara (1 – 100) nanometer (1 nm = 10-9¬ meter). Dengan nanoteknologi, material dapat disusun dalam orde atom-per-atom atau molekul per-molekul sedemikian rupa (Khardiansyah, 2013). Salah satu bidang nanoteknologi yang sedang banyak dikembangkan adalah pembuatan nanofiber. Nanofiber adalah salah satu hasil temuan kimia yang mendapat perhatian khusus karena potensi pemanfaatannya yang begitu luas pada berbagai bidang. Nanofiber adalah serat yang mempunyai diameter kurang dari 100 nanometer. Ukuran nanofiber jauh lebih kecil dibandingkan dengan rambut manusia. Gambar dibawah ini menunjukan perbandingannya.
B. SIFAT N A N O F I B E R Saat ini nanofiber adalah salah satu hasil temuan yang tengah mendapat perhatian khusus karena potensi pemanfaatannya yang begitu luas pada berbagai bidang. Serat nano atau nanofiber adalah serat yang mempunyai diameter kurang dari 100 nanometer (1 nm = 10 -9 meter). Serat nano mempunyai sifat yang sangat
khas, yaitu sangat kuat, rasio permukaan terhadap volume yang besar, dan porous. Sifat-sifat tersebut membuat serat nano menjadi bahan yang sangat menjanjikan untuk dimanfaatkan pada berbagai bidang industri, seperti industri komposit, otomotif, pulp dan kertas, elektronik, tekstil, optik, pertanian, kosmetik, kesehatan, kedokteran, olah raga, farmasi, dan lain-lain. Dalam dunia perdagangan serat nano adalah serat yang lebih kecil dari serat mikro, yaitu serat yang mempunyai diameter kurang dari 0,5 mikron atau kurang dari 500 nanometer, sedangkan serat yang telah diproduksi dan diperdagangkan mempunyai diameter antara 50 sampai 300 nanometer. Serat nano akhir-akhir ini mulai popular terutama digunakan untuk teknologi nano dan dibuat dalam bentuk nonwoven (web) sehingga pembuatannya tidak melalui proses penenunan ( weaving ) atau perajutan (knitting ). Pengamatan morfologi dan permukaan serat berskala nano diperlukan ketelitian yang sangat tinggi. Pengamatan morfologi dapat dilakukan menggunakan AFM (Atomic Force Microscope). Gambar 1 menunjukkan ukuran beberapa nanofiber yang jauh lebih kecil dibandingkan dengan rambut manusia. Gambar 2 menunjukkan ukuran partikel serbuk sari dibandingkan dengan nanofiber . Modulus elastis dari polimer nanofiber ukuran 350 nm ditemukan 1,0 ± 0,2 GPa. Kekuatan serat sangat dipengaruhi oleh ukuran diameter serat, kadar selulosa, dan kadar lignin. Semakin besar diameter serat, maka semakin rendah nilai kekuatan tarik (tensile strength) dan modulus elastisitas (modulus of elasticity / MOE ), demikian pula sebaliknya.
Gambar 1. Perbandingan antara rambut manusia dengan jaringan nanofiber
Gambar 2. Serbuk sari dalam spora dengan nanofiber
Konstruksi komposit nanofiber Nanofiber yang diterapkan adalah material nilon SB ukuran 0,6 ons per meter persegi (osy) dengan nilon SB 1,0 osy seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Impregnasi nanofiber ke lapisan spunbond
Lalu dua lapisan diatas dilaminasi bersama-sama. Gambar 4 menunjukkan perbedaan jenis tiga serat komposit nanofiber yang dirancang dengan mengubah ketebalan dan berat kain.
Gambar 4. Macam-macam pilihan komposit nanofiber
Kinerja dan daya tahan struktur komposit tergantung pada arsitektur kain yang dihasilkan. Arsitektur kain akhir nanofiber seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5 ada dua jenis dua konstruksinya yaitu: 1.
Lapisan nanofiber /SB berada di antara lapisan kulit terluar dan lapisan kain hasil filtrasi kimia.
2.
Lapisan nanofiber /SB berada di atas kain diresapi shell dan mengapung bebas terhadap lapisan filtrasi kimia.
Gambar 5. Desain nanofiber kain komposit
Polimer komposit nanofiber ini dapat memberikan perlindungan terhadap tetesan mikro bahan kimia, aerosol biologi, saluran radioaktif, dan lain-lain.
C. PROSES ELECTROSPINNING Pembuatan nanofiber dapat dilakukan dengan berbagai cara. Pertama, dengan cara drawing , yaitu teknik pembuatan nanofiber dengan menyentuhkan mikropipet pada droplet dan menariknya. Kedua, dengan cara template synthesis, yaitu pembuatan nanofiber dengan menekan larutan polimer pada celah membran yang kecil untuk menghasilkan nanofiber . Ketiga, dengan cara elektrospinning , yaitu pembuatan nanofiber dengan memberi muatan pada larutan polimer yang kemudian dijatuhkan dari pipet di dalam daerah bermuatan listrik tinggi. Pemintalan elektrik (electrospinning ) adalah sebuah metoda untuk membuat serat ( fiber ) dengan diameter 10 μm - 10 nm. Serat nano (nanofiber ) hasil pemintalan elektrik memiliki karakteristik yang menarik dan unik, seperti: luas permukaan yang lebih besar dari volume, memiliki sifat kimiawi, konduktivitas, dan sifat optik tertentu. Teknik pemintalan elektrik adalah proses yang relatif cepat,
sederhana, dan murah dalam menghasilkan nanofiber. Keunggulan lain dari teknik ini adalah dapat menghasilkan nanofiber yang cukup panjang (kontinu). Namun saat ini tingkat produksi dari proses ini adalah rendah dan diukur dalam gram per jam.
(6 a)
Gambar 6. Electrospun (a) dan skema sistem kerja electrospinning (b) (Sumber : Zubaidi, 2009 )
Alat yang digunakan untuk pemintalan elektrik disebut electrospun. Gambar 6a menunjukan contoh alat electrospun dan skematis sistem kerja electrospinning 6b. Electrospun adalah alat yang digunakan untuk membuat serat nano. Dengan alat tersebut kita dapat membuat serat dengan diameter antara 2 nm sampai 50 nm. Pemintalan elektrik menggunakan prekusor berupa larutan polimer yang disiapkan pada tabung semprot (syringe) dengan kecepatan penyemprotan yang dapat diatur oleh pompa secara konstan (metering pump). Lalu larutan tersebut dilewatkan
melalui sebuah nozzle/ lubang spinnered ( Jet ) dengan ujung kecil dan ditarik dengan medan listrik tegangan arus searah (direct current /DC) yang berkekuatan sekitar 30 kVA seperti ditunjukkan pada Gambar 6b. Larutan pada ujung nozzle ditarik oleh medan listrik berbentuk droplet/jet karena pengaruh tegangan permukaan. Jet tersebut bergerak menuju kolektor dan pada bagian ini serat nano terkumpul. Kolektor tersebut dapat berbentuk bidang datar atau dalam bentuk silinder yang dapat berputar secara konstan seperti yang ada pada Lab Balai Besar Tekstil, Bandung. Jarak antara nosel pemintal dan kolektor umumnya bervariasi dari 15 – 30 cm. Proses ini dapat dilakukan pada suhu kamar kecuali diperlukan panas untuk menjaga polimer dalam keadaan cair. Sifat akhir serat tergantung pada jenis polimer dan kondisi operasi. Kehalusan serat dapat diatur dari diameter sepuluh sampai seribu nanometer. Gambar 6 diatas dapat menjelaskan tentang prinsip kerja electrospinning dalam menghasilkan kain nonwoven yang terdiri dari serat-serat berukuran nano (lebih kecil dari mikron) dan ditampung pada bidang datar (collector screen). Cara membuat serat nano ialah: bahan polimer dilarutkan pada pelarut yang sesuai. Selanjutnya, polimer yang sudah dilarutkan dipintal menggunakan alat electrospun. Tabel 1 adalah contoh beberapa polimer dan pelarutnya yang dapat digunakan.
Tabel 1. Polimer dan pelarut polimer yang digunakan untuk electrospinning . No 1
Polimer Nilon 6, Nilon 66
Pelarut Asam formiat
2 3
Poliakrilonitril PET
Dimetil formaldehida Asam trifloro asetat/ Dimetil klorida
4 5 6 7 8 9
PVA Polystiren Nilon-6-co-poliamida Polibenzimidazol Poliramida Poliimida
Air DMF/ Toluena Asam formiat Dimetil asetanda Asam sulfat Fenol
D. APLIKASI DAN KEGUNAAN NANOFIBER Serat nano (nanofiber ) dan electrospinning merupakan material dan teknologi yang sangat penting untuk menunjang perkembangan nanoteknologi pada berbagai bidang produk industri, seperti di bidang elektronik, kedokteran, farmasi, konstruksi, industri makanan, tekstil, keramik dan lain-lain. Bahan nanofiber memiliki aplikasi seperti dalam bidang kesehatan, filtrasi, penghalang, tisu, perawatan pribadi, komposit, pakaian, isolasi, dan penyimpanan energi. Sifat khusus dari nanofiber membuat mereka cocok untuk berbagai macam aplikasi dalam bidang medis sebagai produk konsumen dan aplikasi industri teknologi tinggi untuk ruang angkasa, kapasitor, transistor, sistem pengiriman obat, pemisah baterai, penyimpanan energi, sel bahan bakar, dan teknologi informasi. Di bawah ini akan dijabarkan beberapa aplikasi nanofiber dalam berbagai bidang diantaranya tekstil ruang angkasa, nanodefend, kedokteran dan farmasi, olahraga, pertanian dan filtrasi.
1. Tekstil Ruang Angkasa Penelitian pakaian ruang angkasa yang didukung oleh National Aeronautics Space Administration (NASA), Institute for Advanced Concep diantaranya
berupa
nano
nonwoven sebagai
membran
hasil
teknik
electrospinning . Penelitian pakaian yang menggunakan serat nano dapat berfungsi sebagai second skin. Lapisan tersebut akan memberikan perlindungan terhadap berbagai pengaruh di lingkungan planet dan ruang angkasa seperti lapisan tahan api, tahan kimia, dan pengaruh cuaca lingkungan. Second skin memanfaatkan muatan listrik untuk meningkatkan daya tahan tubuh dan memperbaiki stamina. Pelapisan (coating) menggunakan electrospinning juga dapat digunakan untuk melapisi tekstil pelindung untuk pengiriman barang ruang angkasa yang memerlukan pelindung kedap udara sehingga terhindar dari pengaruh lingkungan debu, panas, dingin dan kelembaban.
2. Nanodefend Nanodefend adalah pakaian keamanan yang ditujukan untuk mencegah terjadinya serangan mikro organisme maupun bahan berbahaya. Dokter Baker
telah mendirikan nanobio untuk mengembangkan krim yang dapat memasuki dan membunuh mikroba penginfeksi dan spora jamur dari spora anthrax sampai virus flu. Dalam bidang militer nanodefend berfungsi sebagai pakaian yang dapat mendekontaminasi terhadap anthrax, ebola, atau smallpox dan senjata kimia. Sebuah perusahaan bioteknologi sedang berusaha mengembangkan fullerenes atau buckyball , yaitu sebuah benda berstruktur molekul dengan skala 60 atom yang diharapkan dapat mematikan virus HIV maupun kanker. Polimer nanofiber dari komposit dapat meningkatkan perlindungan terhadap tetesan bahan kimia, biological aerosol , dan saluran radioaktif. Nanofiber dalam bentuk web yang mempunyai ukuran tertentu dapat menahan sekaligus mengatur a ir dan udara sehingga dapat digunakan sebagai pakaian pelindung panas secara nyaman. Ukuran pori-pori yang dapat diatur pada waktu pembuatannya akan menghasilkan sifat permeabilitas yang diinginkan.
3. Kedokteran dan farmasi Serat nano (nanofiber ) dari bahan kolagen, alginate, vibroin dan sebagainya sangat membantu dalam menciptakan bahan generasi organ manusia, pencangkokan tulang dan berbagai keperluan farmasi.
Selain itu juga
dimanfaatkan sebagai obat dan pengiriman gen, pembuluh darah buatan, organ buatan, dan masker medis. Misalnya, serat karbon nanotube berongga yang lebih kecil dari sel-sel darah berpotensi untuk membawa obat menuju sel-sel darah. Gambar 7 memperlihatkan perbandingan sel darah dengan nanofiber.
Gambar 7. Perbandingan ukuran sel darah manusia dengan nanofiber Nanofiber dan web bisa digunakan sebagai obat langsung ke jaringan internal. Bahan anti adhesi yang terbuat dari selulosa sudah tersedia dari
perusahaan Johnson & Johnson dan Genzyme Corporation. Para peneliti telah memintal serat dari senyawa alami dalam darah. Nanofiber ini dapat digunakan varietas aplikasi medis seperti perban atau jahitan yang pada akhirnya terserap dalam tubuh. Nanofiber ini meminimalkan tingkat infeksi, kehilangan darah dan dapat diserap oleh tubuh.
4. Olahraga Nanotex sebuah pabrik tekstil di Greensboro, Nort Karolina sedang mengembangkan pakaian aktif yang dapat menghamburkan dan mengeringkan keringat. Selain itu juga membuat produk kaos kaki, Tshirt dan pakaian dalam yang bisa menyerap bau badan.
5. Pertanian Dalam industri pertanian nanofiber dan teknologi nano akan sangat bermanfaat untuk melakukan sensor dan pengontrolan pertanian modern seperti tanaman hidrofonik. Pengontrolan produk, biosecurity, memerlukan peralatan yang sangat peka. Sangat sering terjadi bahan makanan yang mengandung bakteri dan virus sering menimbulkan penyakit yang dapat berakibat fatal. Biosensor akan dapat mendeteksi perubahan sel dan molekul yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi adanya bahan
berbahaya
mekipun
kandungannya sangat kecil.
6. Filtrasi Nanofiber memiliki aplikasi signifikan di bidang filtrasi karena daerah permukaan mereka secara substansial lebih besar dan memiliki pori lebih kecil dari jaring melt blown (MB). Struktur berpori tinggi dengan luas permukaan yang tinggi membuat mereka ideal untuk banyak aplikasi filtrasi. Nanofiber secara ideal cocok untuk menyaring partikel submikron dari udara atau air . Serat electrospun memiliki diameter tiga kali lebih lebih daripada serat MB. Hal ini menyebabkan peningkatan di daerah permukaan dan penurunan volume. Tabel 2 menunjukkan area permukaan serat per massa bahan nanofiber dibandingkan dengan MB dan serat SB.
Nanofiber yang dikombinasikan dengan produk bukan tenunan lainnya berpotensi dalam berbagai aplikasi filtrasi seperti filter aerosol , masker, dan pakaian pelindung. Saat ini, kain militer dalam pengembangan dengan rancangan sebagai perlindungan kimia dan biologi menggunakan lapisan laminating nanofiber antara body side layer dan serat karbon.
Tabel 2. Luas permukaan serat per massa bahan se rat untuk ukuran serat yang berbeda Luas permukaan serat per massa dari material
Jenis serat
Ukuran serat (µm)
Nanofiber
0.05
80
Spunbond fiber
20
0.2
Melt blown fiber
2.0
2
serat (m2/g)
E-Spin Technologies, Inc telah menghasilkan prototipe web nanofiber karbon aktif. Jaringan tersebut distabilkan, dikarbonisasi, dan diaktifkan. Nanofiber yang diaktifkan ini memberikan hasil yang sangat baik untuk aerosol dan filtrasi kimia.
E. TANTANGAN DALAM N A N O F I B E R
Proses pembuatan nanofiber cukup mahal dibandingkan dengan serat konvensional karena tingkat produksi rendah dan biaya teknologi tinggi. Selain itu electrospinning web memancarkan uap dan solusi sementara adalah dengan memulihkan atau dibuang secara ramah lingkungan. Ini melibatkan peralatan tambahan dan biaya. Kehalusan serat dan uap yang menguap juga menimbulkan keprihatinan atas bahaya kesehatan karena inhalasi serat. Dengan demikian tantangan yang dihadapi dapat dikelompokkan pada berbagai bidang diantaranya ekonomi, bahaya kesehatan, pelarut uap dan penanganan pengiriman kemasan. Karena kualitas yang luar biasa dari bahan nanofiber , sehingga ada upaya berkelanjutan untuk menangani agar terjadi keseimbangan antara keuntungan dan biaya produksi.
BAB III PENUTUP
KESIMPULAN Nanoteknologi adalah pembuatan dan penggunaan materi atau alat pada ukuran sangat kecil. Materi atau alat ini berukuran antara (1 – 100) nanometer (1 nm = 109¬ meter). Dengan nanoteknologi, material dapat disusun dalam orde atom-peratom atau molekul per-molekul sedemikian rupa Nanofiber adalah serat yang mempunyai diameter kurang dari 100 nanometer. Ukuran nanofiber jauh lebih kecil dibandingkan dengan rambut manusia. Gambar dibawah ini menunjukan perbandingannya. Serat nano mempunyai sifat yang sangat khas, yaitu sangat kuat, rasio permukaan terhadap volume yang besar, dan porous. Cara pembuatan nanofiber
Drawing
menyentuhkan mikropipet pada droppet dan menariknya
Template syntesis
menekan larutan polimer pada celah membran yang kecil
Electrospinning
Memberi muatan pada larutan polimer yang dijatuhkan dari pipet dalam medan listrik Kegunaan nano fibers adalah Tekstil luar angkasa, Nanodefend, Kedokteran dan farmasi, Olah raga, Pertanian, dan Filtrasi Tantangan dalam menggunakan elektrospining
Pembuatan nanofiber yang mahal (ekonomi)
Uap hasil electrospinning (bahaya kesehatan)
Pelarut uap
Penanganan pengiriman kemasan
