Bahan 2D, Seperti Grafena, Membuka Cakrawala Baru Dalam Ilmu Bahan

Penemuan yang Tidak Disengaja

Sebagian besar benda fisik terbuat dari bahan 3D. Bahan padat sering terbuat dari atom yang terorganisir dalam struktur 3D yang telah ditentukan sebelumnya, membentuk logam dan kristal, atau atom yang tidak terorganisir, membentuk benda lainnya.

Selama waktu yang lama, ini dianggap sebagai satu-satunya bentuk di mana materi dapat diatur untuk membentuk benda padat. Tetapi 20 tahun yang lalu (2004), dua peneliti di Universitas Manchester, Andre Geim dan Professor Kostya Novoselov, menemukan bahan 2D, grafena. Mereka menemukannya hampir secara kebetulan ketika mereka menyadari bahwa pita perekat sederhana yang diterapkan pada grafit (yang membuat ujung pensil) menciptakan lapisan mono-atomik karbon.

Hal ini kemudian memenangkan mereka Hadiah Nobel Fisika 2010.

Grafena terbuat dari atom karbon, tetapi bukan dalam bentuk tidak terorganisir (grafit) atau kristal terorganisir (berlian), dalam grafena, atom karbon disusun dalam lapisan mono-atomik, seperti lembaran kertas ultra-tipis. Mereka juga menemukan bahwa memungkinkan untuk membentuk bahan 1 atau 0-dimensi, seperti nanotube atau titik kuantum.

Sumber: Ossila

Apa yang membuat bahan 2D istimewa adalah bahwa konfigurasi unik ini datang dengan sifat fisik unik.

Misalnya, grafena sangat konduktif, dengan elektron yang dapat beredar di dalamnya pada kecepatan 1/300^th kecepatan cahaya. Ini juga merupakan konduktor termal yang sangat baik dan memiliki kekuatan tarik tertinggi dari semua bahan, meskipun transparan secara optik, menyerap hanya 2% cahaya tampak yang masuk.

Sumber: Visual Capitalist

Lebih dari Grafena

Sifat unik grafena segera membuatnya menjadi fokus dari ribuan peneliti yang ingin mengungkap sifat listrik, kimia, dan fisiknya yang unik.

Namun, yang lain mulai bertanya-tanya apakah elemen lain selain karbon dapat menciptakan bahan 2D juga. Jawabannya adalah ya, dengan prediksi teoretis yang menjanjikan ratusan bahan 2D potensial. Di antara bahan 2D yang paling penting dan dipelajari selain grafena, kita dapat menyebutkan beberapa:

• Borofena, terbuat dari atom boron, ditemukan hanya pada tahun 2015.
• Goldene, terbuat dari atom emas, diproduksi pertama kali pada tahun 2024.
• Silisena, terbuat dari atom silikon.
• Fosforena, terbuat dari atom fosfor.

Tampaknya bahan 2D tidak harus terbuat dari satu elemen murni saja—misalnya, monolayer molibdenum disulfida (MoS2) atau silikon nitrida (Si₃N₄).

Atom lain juga dapat dilampirkan ke monolayer, menciptakan permukaan “bergelombang”, seperti ketika menambahkan hidrogen ke atom karbon grafena untuk membentuk grafana.

By Edgar181 (talk) – Own work, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=12091234

Karena keanekaragaman bahan yang ekstrem, peneliti baru saja mulai mengungkap potensi bahan 2D.

Aplikasi – Aspek Fundamental

Pada umumnya, apa yang membuat bahan 2D unik adalah bahwa struktur atom yang sangat terorganisir memungkinkan konfigurasi unik elektron dan ikatan yang kuat antara atom.

Hal ini menjelaskan konduktivitas listrik yang luar biasa (aliran elektron), konduktivitas termal (transfer energi antara atom), dan kekuatan fisik (ikatan kovalen antara atom karena pertukaran elektron).

Struktur 2D juga memberikan bahan ini luas permukaan spesifik tertinggi (permukaan di mana interaksi mungkin terjadi) dari semua bahan yang diketahui. Ini membuatnya menjadi kandidat yang sangat baik untuk bentuk baru katalis atau, pada umumnya, terlibat dalam reaksi kimia dan listrik.

Superkonduktor

Karena elektron mengalir hampir sepenuhnya bebas di permukaan bahan 2D, mereka telah dipertimbangkan sebagai kandidat yang baik untuk superkonduktivitas.

Superkonduktivitas adalah apa yang terjadi ketika suatu bahan dapat menghantarkan listrik tanpa resistansi.

Ini berarti bahwa tidak hanya tidak ada kehilangan energi, yang bisa sangat berguna untuk mengangkut daya over jarak jauh, tetapi juga berarti bahwa arus yang mengalir melalui bahan tidak menghasilkan panas. Ini bisa membuatnya sangat berguna untuk berbagai aplikasi, dari komputasi hingga kendaraan listrik dan hampir semua teknologi yang menggunakan listrik.

Dalam teori, superkonduktivitas, terutama superkonduktivitas suhu kamar, bisa memungkinkan untuk menguasai fusi nuklir, mendorong kapal dengan listrik, kereta maglev yang murah dan sangat cepat, pengemudi massa untuk mencapai orbit dengan biaya yang sangat rendah, dll. (Kami menjelajahi lebih lanjut pertanyaan tentang superkonduktor suhu kamar dalam artikel khusus kami).

Banyak bahan 2D mungkin menampilkan superkonduktivitas dalam kondisi yang tepat (misalnya, suhu, tekanan, dll.) termasuk:

• Film logam ultra-tipis.
• Kuprat.
• Perovskite oksida.
• Senyawa logam tanah jarang berat-fermion.
• Grafena.
• Selenida besi pada permukaan oksida.
• Konduktor organik pada permukaan logam.

Semikonduktor

Semikonduktor adalah bahan yang dapat beralih dari keadaan konduktif (yang mentransfer elektron) ke keadaan isolasi (yang memblokir elektron). Ini adalah prinsip dasar di sekitar mana transistor silikon dan elemen komputasi lainnya dibangun, dengan 0 menjadi tidak ada arus listrik dan 1 kehadiran arus.

Kecepatan semikonduktor dapat berubah keadaan, kecepatan komputasi yang terkait dapat dilakukan.

Grafena

Pada awalnya, peneliti yang mempelajari grafena berpikir bahwa itu dapat menggantikan silikon dalam semikonduktor. Sayangnya, itu kehilangan fitur elektronik kunci yang disebut “celah pita”.

Celah pita adalah apa yang menentukan apakah suatu bahan akan dianggap logam (menghantarkan listrik), isolator (memblokir listrik), atau semikonduktor (yang dapat beralih antara konduktif dan isolasi).

Sumber: Energy Education

Masalahnya adalah bahwa grafena tidak memiliki celah pita sama sekali, mencegah penggunaannya sebagai semikonduktor.

Hal ini benar hingga 2024 ketika peneliti mengumumkan bahwa mereka berhasil membuat semikonduktor grafena pertama di dunia.

“Kami sekarang memiliki semikonduktor grafena yang sangat kuat dengan mobilitas sepuluh kali lipat dari silikon, dan yang juga memiliki sifat unik yang tidak tersedia di silikon.

“Kami harus belajar bagaimana mengobati bahan, bagaimana membuatnya lebih baik dan lebih baik, dan akhirnya, bagaimana mengukur sifat-sifatnya. Itu memakan waktu yang sangat, sangat lama.”

Goldene

Bahan 2D lain yang menarik adalah goldene, esensial grafena tetapi dengan atom emas menggantikan atom karbon.

Emas sudah umum digunakan dalam chip dan komponen komputer berkat sifatnya yang luar biasa, seperti resistensi terhadap oksidasi dan konduktivitas listrik yang sangat tinggi.

Dengan produksi pada tahun 2024 dari monolayer goldene pertama, sifat semikonduktor mungkin ditambahkan ke daftar.

“Jika Anda membuat bahan sangat tipis, sesuatu yang luar biasa terjadi – seperti grafena. Hal yang sama terjadi dengan emas. Seperti yang Anda ketahui, emas biasanya logam, tetapi jika lapisan setebal satu atom, maka emas dapat menjadi semikonduktor bukan logam.”

Semikonduktor Organik

Molekul organik terbuat dari kerangka karbon, bersama dengan elemen lain, umumnya oksigen, nitrogen, sulfur, dll.

Baru-baru ini, peneliti menemukan bahwa mereka dapat memaksa polimer organik untuk tetap dalam konfigurasi 2D dan menghindari tumpukan lapisan ganda.

Sumber: POSTECH

Mereka kemudian menggunakan langkah yang disebut p-type doping, umum digunakan dalam produksi semikonduktor.

Ini merujuk pada penambahan elemen ke bahan semikonduktor untuk membuatnya lebih konduktif.

Sumber: Wikipedia oleh VectorVoyager

Hasilnya adalah bahan yang telah digambarkan oleh peneliti sebagai memiliki “konduktivitas listrik yang luar biasa”.

Jadi, bahkan jika bahan seperti grafena terlalu sulit untuk diproduksi massal dalam konfigurasi semikonduktor, atau goldene terlalu mahal, semikonduktor organik kemungkinan akan ada untuk memungkinkan adopsi semikonduktor 2D di masa depan.

Bahan Super

Sementara sifat listrik adalah inti dari minat ilmiah dalam bahan 2D, sifat fisiknya juga sangat mengesankan.

Misalnya, grafena 200x lebih kuat dari baja untuk massa yang setara. Grafena bisa diintegrasikan ke dalam beton, dengan cara yang sama seperti baja dalam beton bertulang, menciptakan beton 2,5x lebih kuat dan 4x kurang permeabel air. Selain itu, grafena tidak berkarat seperti baja, membuat beton yang diperkuat grafena tidak rentan terhadap “kerusakan beton” yang disebabkan oleh oksidasi besi, yang sangat membatasi umur beton.

By Achim Hering – Own work, CC BY 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=20269527

Ketahanan ekstrem + bobot ringan dari grafena dan bahan 2D lainnya juga bisa digunakan untuk menciptakan baju pelindung yang lebih baik.

Bidang aplikasi lainnya bisa termasuk manajemen termal. Misalnya, peneliti menemukan bahwa mereka dapat memproduksi bahan yang kedap dan kaku dengan menciptakan perovskite organik-anorganik 2D.

Bahan 2D seperti grafena dan boron nitrida heksagonal bisa digunakan untuk menghilangkan panas dalam perangkat elektronik dan optoelektronik.

Terakhir, bahan 2D ultra-resisten yang canggih bisa digunakan untuk mencapai infrastruktur futuristik, seperti elevator antariksa. Namun, langkah-langkah seperti itu hanya akan realistis ketika kita telah menemukan cara untuk memproduksi bahan-bahan ini secara ekonomis, tidak oleh gram atau kilogram, tetapi oleh jutaan ton.

Bioteknologi

Tingkat permukaan yang sangat tinggi, lapisan yang sangat tipis, dan sifat kimia unik membuat bahan 2D menjadi kandidat yang baik untuk banyak aplikasi khusus dalam industri medis dan bioteknologi.

Ini termasuk pengiriman obat, pemetaan, rekayasa jaringan, biosensor, dan sensor gas.

Faktor lain dalam munculnya bahan 2D dalam aplikasi biologis adalah penemuan baru yang memungkinkan mereka untuk memberikan karakteristik yang disebut kiralitas.

Kiralitas adalah istilah kimia yang berarti bahwa molekul memiliki simetri kiri/kanan. Kiralitas adalah fitur penting dari molekul organik, misalnya asam amino yang merupakan blok bangunan protein.

Sumber: UC Santa Barbara

Di molekul, kiralitas dapat membuat unit biologis atau kimia ada dalam dua versi yang tidak dapat dicocokkan dengan sempurna, seperti sarung tangan kiri dan kanan. Mereka dapat mencerminkan satu sama lain dengan tepat, tetapi sarung tangan kiri tidak akan pernah sesuai dengan tangan kanan sebaik sarung tangan kiri sesuai dengan tangan kiri.

Prof. Dipanjan Pan

Baru-baru ini, peneliti mensintesis borofena platelet, serupa dengan bagaimana fragmen borofena akan masuk ke aliran darah. Mereka menemukan bahwa sifat kiral dari versi borofena yang berbeda berinteraksi secara berbeda dengan membran sel, dan memasuki sel secara berbeda.

Hal ini membuka jalan untuk merancang struktur borofena khusus untuk aplikasi seperti “pengembangan citra medis dengan kontras yang dapat melacak interaksi sel dengan presisi atau pengiriman obat dengan interaksi material-sel yang tepat.”

Pemahaman yang lebih baik tentang bagaimana struktur borofena berinteraksi dengan sel hidup juga akan membantu menjelaskan profil keamanannya.

Sementara profil kesehatan borofena masih dievaluasi, terlihat bahwa grafena bahkan dapat dihirup tanpa risiko akut bagi kesehatan manusia. Hasil ini masih sangat awal, tetapi kemungkinan menunjukkan bahwa proliferasi cepat bahan 2D tidak akan menyebabkan masalah kesehatan masyarakat.

Dan semakin kompatibel mereka dengan biologis, semakin mungkin mereka dapat digunakan untuk mengembangkan sensor biologis atau membangkitkan nanorobot di aliran darah kita.

Batasan

Manufaktur Skala Besar

Bahkan bahan 2D yang paling mapan dan pertama ditemukan, grafena, masih sangat banyak berada di domain laboratorium dan perusahaan rintisan.

Hal ini karena produksi skala besar masih merupakan proposisi yang sulit. Membuat jumlah kecil cukup mudah, tetapi memproduksi jumlah besar dalam cara semi-otomatis tidak.

Pita perekat yang diterapkan pada sepotong grafit cukup untuk menemukan grafena. Tetapi metode yang lebih kompleks seperti Chemical Vapor Deposition (CVD) diperlukan untuk produksi massal.

Hal ini perlahan-lahan menjadi lebih nyata, dengan, misalnya, publikasi proses untuk CVD bebas oksigen yang menghasilkan grafena dengan kemurnian tinggi.

Menempelkan

Masalah lain dengan bahan 2D adalah bahwa karena mereka sangat tipis dan unik secara kimia, mereka dapat sulit untuk ditempelkan ke bahan lain.

Seringkali memerlukan teknik khusus untuk membuat lapisan grafena menempel pada chip komputer, sumber daya, atau perangkat medis.

Hal ini dapat memakan waktu lebih lama dan lebih banyak sumber daya daripada alternatif yang kurang efisien tetapi lebih mudah diimplementasikan.

Biaya

Karena sekarang, sebagian besar metode produksi dan aplikasi ke perangkat yang ada sebagian besar berskala kecil atau khusus, bahan 2D telah tetap relatif mahal.

Harga sebenarnya dapat bervariasi secara signifikan tergantung pada kemurnian, dengan, misalnya, grafena berkisar antara $20-2.000/kg.

Hal ini berarti bahwa bahkan pada harga termurah, grafena masih 20x lebih mahal dari baja. Selain itu, untuk mencapai kinerja yang dapat diterima dalam menggantikan baja, kemungkinan lebih dari kemurnian terendah yang diperlukan.

Perusahaan Bahan 2D

Bidang bahan 2D berkembang sangat cepat, dengan pilihan baru seperti goldene yang ditemukan secara teratur, dan wawasan baru tentang bagaimana mengoptimalkan “bahan lama” seperti mengubah grafena menjadi semikonduktor.

Produk ini kemungkinan hanya akan menjadi sektor ekonomi besar ketika diproduksi secara besar-besaran menggunakan metode industri.

Sampai sekarang, metode yang paling maju dan didokumentasikan dengan baik adalah CVD, memberikan keuntungan signifikan bagi spesialis CVD untuk menangkap sebagian besar nilai produksi bahan 2D.

1. Veeco

Veeco telah menjadi pemasok utama peralatan untuk industri manufaktur semikonduktor sejak pendiriannya pada tahun 1945. Mesinnya digunakan dalam produksi chip canggih EUV, antena 5G, hard drive, LIDAR, LED, elektronik daya untuk kendaraan listrik, dll.

Sumber: Veeco

Fokus teknologi utama perusahaan adalah proses CVD yang sama yang digunakan untuk produksi borofena, atau lebih tepatnya, MOCVD (Metal-Organic Chemical Vapour Deposition).

Sumber: Veeco

Sebagai pemimpin di segmen niche industri semikonduktor, Veeco bisa menjadi kandidat yang baik untuk bertaruh pada pertumbuhan aplikasi CVD yang lebih luas.

Pertumbuhan ini bisa berasal dari penggunaan grafena, tungsten, dan borofena yang semakin meningkat, karena kita semakin baik dalam memanipulasi materi pada tingkat atom.

Hal ini juga kemungkinan akan mendapat manfaat dari tren besar digitalisasi, AI, dan elektrifikasi, apakah itu menggunakan bahan 2D secara besar-besaran atau tidak.

2. Graphene Manufacturing Group (GMG)

GMG adalah produsen grafena yang telah fokus penawaran produknya pada produk berbasis grafena yang sudah terbukti seperti lapisan panas dan pelumas.

Hal ini membuat GMG menjadi pilihan yang baik untuk investor yang mencari eksposur langsung ke pasar grafena dan perusahaan yang sudah aktif dalam produksi massal grafena dan memperbaiki metode produksi saat ini.

Sumber: GMG

Beberapa aplikasi lainnya bisa termasuk pembuatan semikonduktor grafena (lihat “Semikonduktor Grafena – Apakah Mereka Akhirnya Hadir?”), atau bahkan superkonduktor suhu kamar. Lapisan grafena juga bisa menemukan penggunaan dalam baterai dan teknologi wadah tekanan hidrogen.

Sumber: GMG

GMG memproduksi grafenanya dari metana + hidrogen, yang berbeda dari sebagian besar pesaingnya, yang memproduksi dari deposit alami grafit. Hal ini memungkinkan kemurnian yang lebih tinggi, skalabilitas yang lebih baik, dan produksi yang lebih murah.

Perusahaan meluncurkan fasilitas produksi pertamanya di Australia pada tahun 2023, dengan hingga 1 juta liter produksi lapisan pelindung panas per tahun.

Langkah berikutnya untuk perusahaan akan menjadi teknologi baterai berbasis grafena aluminium ion, dengan kepadatan 290 Wh/kg, 60x pengisian yang lebih cepat dari baterai ion litium, 3x umur baterai, dan profil bahaya kebakaran yang lebih baik.

Sumber: GMG

Masuknya GMG ke pasar baterai mungkin merupakan taruhan besar, tetapi juga memberinya perspektif unik pada pasar masa depan yang bisa dibuka untuk grafena, termasuk dalam aplikasi kendaraan listrik dan kekuatan lainnya.