Ilmu material
Pembersihan Graphene: Kunci untuk Komersialisasi
Selama bertahun‑tahun, graphene telah memperoleh banyak sebutan. Beberapa menyebutnya ‘bahan keajaiban yang menakjubkan,’ sementara yang lain menamakannya ‘supermaterial terbukti.’ Dunia menyadari keajaiban graphene lebih dari satu dekade yang lalu.
Pada tahun 2012, Nature menerbitkan artikel berjudul ‘Peta Jalan untuk Graphene,’ yang menjelaskan mengapa Graphene dengan cepat menjadi idola komunitas ilmiah. Para peneliti menyoroti sifat‑sifat Graphene sebagai alasan di balik minat ini, dengan mengatakan:
“Kain karbon setebal satu atom ini secara unik menggabungkan kekuatan mekanik yang ekstrem, konduktivitas listrik dan termal yang sangat tinggi, ketahanan terhadap gas, serta banyak properti unggul lainnya, yang semuanya menjadikannya sangat menarik untuk berbagai aplikasi.”
Menyadari potensi graphene, Uni Eropa memutuskan untuk mengalokasikan 1 miliar Euro atau US$1,3 miliar kepadanya antara 2013 dan 2023. Investasi tersebut bertujuan memastikan kemampuan transformasional graphene, terutama ketika diterapkan pada elektronik, energi, kesehatan, konstruksi, dll. Inisiatif ini didukung oleh jejak penelitian yang panjang, karena lebih dari 8.000 makalah ditulis tentang graphene antara 2005 dan 2013.
Sejak itu, minat terhadap Graphene di kalangan komunitas ilmiah tidak berkurang. Kini, para peneliti mencari cara untuk mengkomersialkan Graphene lebih lanjut dalam skala yang lebih besar. Dalam salah satu studi tersebut, tim insinyur di Columbia University, bersama kolega di University of Montreal dan National Institute of Standards and Technology, meneliti kemungkinan membersihkan Graphene, menjadikannya siap untuk reproduksi komersial berskala besar.
Mengatasi Tantangan pada Sintesis Graphene dengan Chemical Vapor Deposition (CVD)
CVD telah menjadi salah satu dari dua metode tradisional untuk mensintesis graphene, dengan metode lainnya adalah metode ‘scotch-tape’. Metode ini, yang juga dikenal sebagai pertumbuhan CVD, mencapai tujuannya dengan mengalirkan gas yang mengandung karbon, seperti metana, di atas permukaan tembaga pada suhu sekitar 1000 °C.
Proses ini memecah metana sehingga atom‑atom karbon dapat menyusun kembali dan menyelaraskan diri dalam satu lapisan graphene berbentuk sarang lebah. Keunggulan metode ini dibandingkan metode ‘scotch-tape’ adalah pertumbuhan CVD dapat menghasilkan sampel graphene yang jauh lebih besar, berukuran sentimeter atau bahkan meter. Sebaliknya, output dari metode ‘scotch-tape’ menghasilkan graphene yang sangat kecil, hanya beberapa puluh mikrometer.
Output pertumbuhan CVD graphene lebih dapat digunakan secara luas dibandingkan output metode ‘scotch-tape’. Namun, sampel yang disintesis dengan CVD mengalami masalah reproduktibilitas dan kualitas yang bervariasi.
Untuk mengatasi tantangan ini, para peneliti mengembangkan metode chemical vapor deposition bebas oksigen (OF-CVD) yang dapat menghasilkan sampel graphene berkualitas tinggi secara skala besar.
Saat membicarakan inovasi dan kualitas perintisnya, James Hone, penulis senior penelitian dan Profesor Wang Fong-Jen Teknik Mesin di Columbia Engineering, menyatakan hal berikut:
“Kami menunjukkan bahwa menghilangkan hampir seluruh oksigen dari proses pertumbuhan adalah kunci untuk mencapai sintesis graphene CVD yang dapat direproduksi dan berkualitas tinggi. Ini merupakan tonggak menuju produksi graphene berskala besar.”
Penelitian ini, selain pencapaiannya di bidang ilmu pengetahuan dan teknologi, juga menunjukkan bagaimana kolaborasi akademik harus berjalan. Enam tahun yang lalu, Richard Martel dan Pierre Levesque, co‑author penelitian dari Montreal, menunjukkan bahwa jejak oksigen dapat memperlambat proses pertumbuhan dan mengikis graphene. Pada saat itu, berdasarkan temuan Martel dan Levesque, Christopher DiMarco, GSAS 19, merancang dan membangun sistem pertumbuhan CVD yang memungkinkan kontrol jumlah oksigen selama proses otomatisasi.
Studi saat ini merupakan kelanjutan dari pekerjaan Martel, Levesque, dan Di Marco, di mana Xingzhou Yan dan Jacob Amontree, mahasiswa PhD saat ini, menemukan bahwa pertumbuhan CVD jauh lebih cepat ketika jejak oksigen dihilangkan. Kualitas sampel CVD tanpa oksigen ini secara virtual identik dengan graphene yang dieksfoliasi, yang cukup bersih dan bebas dari impuritas yang dapat mengganggu sifat graphene yang diinginkan.
Selain menghasilkan graphene yang bersih dan murni, para peneliti menemukan bahwa dimungkinkan memprediksi laju pertumbuhan CVD dalam berbagai parameter, termasuk tekanan gas dan suhu.
Dalam waktu mendatang, para peneliti berencana melanjutkan kerja dengan Graphene dengan mengembangkan metode transfer bersih graphene berkualitas tinggi dari katalis logam pertumbuhan ke substrat fungsional lainnya, seperti silikon. Hal ini akan sangat memperluas kemungkinan Graphene lebih jauh.
‘Graphene Bersih’: Kunci untuk Komersialisasi
Graphene, sejak awal, telah menarik perhatian karena banyak kualitasnya. Atom‑karbonnya tersebar sempurna dalam formasi sarang lebah heksagonal, hanya setebal 0,3 nanometer, dengan jarak 0,1 nanometer antar atom. Kesederhanaan struktural dan kemurnan ini memberikan Graphene beberapa properti.
Sebagai contoh, ia 200 kali lebih kuat daripada baja namun enam kali lebih ringan. Transparansinya hampir sempurna, memungkinkan sekitar 98% cahaya melewatinya sementara hanya menyerap 2%. Graphene juga tidak tembus gas, dan sifatnya dapat diubah dengan menambahkan komponen kimia ke permukaannya. Annick Loiseau dari National Office for Aerospace Studies and Research (ONERA) menciptakan slogan, “Masa depan terletak pada grafit pensil!”
Intinya, Graphene siap untuk dikomersialkan. Ia telah dipersiapkan untuk lompatan besar. Namun, satu bidang yang masih menjadi perdebatan adalah membersihkan graphene sambil mempertahankan ukurannya. Penelitian saat ini menunjukkan cara menciptakan graphene bersih berukuran sentimeter bahkan meter dan menjadikannya siap untuk komersialisasi berskala penuh.
Dengan manfaat Graphene yang tersedia bagi semua orang untuk dijelajahi dan dimanfaatkan, komunitas ilmiah tertarik meneliti kemungkinan struktur unsur monolayer lainnya. Unsur yang menonjol adalah Boron, dengan monolayer‑nya disebut Borophene.
Perbandingan Antara Graphene dan Borophene
Graphene dan Borophene terdiri dari lembaran tunggal unsur masing‑masing. Mereka memiliki kekuatan struktural tinggi, sangat fleksibel, dan tidak mudah terdegradasi.
Ada beberapa perbedaan juga. Misalnya, Graphene memiliki lembaran planar dan struktur kisi heksagonal. Lembaran Borophene memiliki sedikit kelengkungan dan terdapat dalam tiga sub‑allotrop dengan susunan segitiga dan heksagon yang berbeda.
Kita telah membahas sifat‑sifat Graphene. Sifat Borophene menjadikannya elemen penting dalam fotovoltaik, elektronik fleksibel, dan teknologi tampilan, berkat konduktivitas listrik tinggi dan transparansi optik sepanjang arah ‘a’ serta berbagai anisotropi baru.
Secara keseluruhan, pengembangan Graphene dan Borophene memungkinkan percobaan berbagai inovasi teknologi dengan kualitas aplikasi yang menarik.
Dalam diskusi hari ini, yang berfokus pada Graphene, kami akan melihat perusahaan‑perusahaan yang inovatif dalam penerapan Graphene. Namun sebelum meninjau perusahaan‑perusahaan individu dan pencapaiannya, kita harus meninjau Graphene Flagship, konsorsium perintis yang membuka cakrawala baru untuk mengembangkan berbagai solusi dengan Graphene.
Graphene Flagship
Dibiayai oleh Uni Eropa, Graphene Flagship menggabungkan 118 mitra akademik dan industri dalam 12 proyek penelitian dan inovasi serta satu proyek koordinasi dan dukungan ‘untuk meningkatkan otonomi strategis Eropa dalam teknologi yang bergantung pada graphene dan material 2D lainnya.’
Selama sepuluh tahun terakhir, Graphene Flagship telah mencapai banyak tonggak. Yang terbaru dan mungkin paling penting di antara tonggak‑tonggak tersebut sejauh ini adalah keberhasilan proyek integrasi semikonduktor material 2D perintis Graphene.
Proyek ini dimulai pada Oktober 2020 untuk membawa graphene dan material terkait (GRM) keluar dari laboratorium ke produksi dan penggunaan komersial berskala. Dengan anggaran 20 juta Euro selama empat tahun, proyek 2D Experimental Pilot Line (2D‑EPL) berfokus pada prototyping, pembuatan wafer, dan pemberdayaan proses.
Hasilnya menjanjikan, setidaknya. Berkat pencapaian proyek, akademisi, peneliti, dan perusahaan swasta mendapatkan kesempatan pertama dalam sejarah untuk menguji dan memprototipe ide‑ide baru untuk perangkat material 2D. Hal ini menghasilkan produksi wafer multi‑proyek (MPW), yang memungkinkan pengembangan prototipe berskala besar dengan biaya rendah.
Dalam bidang pemberdayaan proses, Graphene Flagship membantu komunitas ilmiah dengan membangun dua alat khusus baru, termasuk reaktor metalorganic chemical vapor deposition (MOCVD) dari Aixtron dan alat transfer lapisan 2D otomatis oleh SUSS MicroTec. Alat‑alat ini memungkinkan pengujian menyeluruh dan modifikasi proses pertumbuhan material 2D serta transfer lapisan, yang penting untuk mencapai kemampuan produksi tinggi di masa depan.
Saat menjelaskan pencapaian Graphene Flagship dan proyek 2D‑EPL‑nya, Patrik Johansson, direktur Graphene Flagship, menyatakan hal berikut:
“Pilot Line bukan hanya tentang data keras dan kemajuan ilmiah serta teknologi yang telah kami kumpulkan bersama, tetapi juga — dan mungkin lebih penting — interaksi pribadi yang telah menciptakan arena pertukaran ide untuk masa depan inovasi material 2D di Eropa. Karena pasar graphene global diperkirakan akan tumbuh secara eksponensial, dari pendapatan tahunan 380 juta US$ pada 2022 menjadi 1,5 miliar US$ dalam lima tahun, proyek seperti 2D‑EPL sangat penting untuk menjaga Eropa tetap berada di garis depan pengembangan dan inovasi.”
Selain Konsorsium, beberapa perusahaan dan bisnis individu telah melakukan pekerjaan luar biasa di bidang ini. Pada segmen berikut, secara singkat, kami membahas beberapa perusahaan tersebut.
#1. NanoXplore
Didirikan pada 2011 dan berkantor pusat di Montréal, Quebec, NanoXplore memiliki fasilitas produksi bubuk graphene sebesar 4.000 ton metrik per tahun yang dirancang dengan struktur modular. Perusahaan ini mengkhususkan diri dalam mengembangkan dan merumuskan solusi berbasis graphene sebagai aditif untuk meningkatkan kinerja material industri dalam termoplastik dan termoset.
Fasilitas NanoXplore memiliki kemampuan ekstrusi terdepan untuk menciptakan masterbatch yang diperkaya graphene dalam poliolefin dan polimer rekayasa. Melalui teknologi bersih yang dipatenkan, NanoXplore memberikan pelanggannya berbagai solusi berbasis graphene, termasuk bubuk GrapheneBlackTM dan pelet masterbatch yang diperkaya graphene. Divisi bisnis Komposit NanoXplore menawarkan produk plastik dan komposit standar serta kustom kepada berbagai pelanggan di sektor transportasi, kemasan, elektronik, dan industri lainnya.
Graphene Black dari NanoXplore adalah bubuk graphene serbaguna dengan keseimbangan terbaik antara kemampuan pencampuran dan manufaktur. Hal ini memungkinkan graphene meningkatkan kelayakan komersialnya dan secara signifikan memperbaiki sifat plastik dan polimer.
NanoXplore juga berupaya menambahkan GrapheneBlack ke dalam kimia Li‑ion saat ini pada anoda Li‑ion berbasis silikon untuk meningkatkan kapasitas energi dan kecepatan pengisian dalam baterai yang diperkaya graphene, yang berguna bagi kendaraan listrik, sistem penyimpanan energi, serta truk dan bus listrik.
Menurut laporan keuangan terbarunya, NanoXplore menghasilkan pendapatan sebesar 33,87 juta dan hampir 92 juta Dolar Kanada untuk periode tiga bulan dan sembilan bulan yang berakhir pada 31 Maret 2024, masing‑masing.
Perusahaan lain yang berhasil dalam produksi bersih bubuk Graphene adalah GMG atau Graphene Manufacturing Group Limited.
#2. Graphene Manufacturing Group Limited
Ini adalah perusahaan teknologi bersih dengan proses produksi proprietari yang memproduksi bubuk Graphene dari bahan baku murah yang mudah didapat. Proses tersebut menghasilkan ‘graphene berkualitas tinggi, biaya rendah, dapat diskalakan, dapat disesuaikan, dan bebas kontaminan’ yang membantu mengembangkan solusi di bidang penghematan energi dan penyimpanan energi.
Secara lebih spesifik, lini produk GMG mencakup pelapis pemanas, ventilasi, pendingin udara, refrigerasi (HVAC‑R) yang diperkaya graphene, pelumas, dan cairan. Perusahaan juga sedang mengerjakan komersialisasi baterai aluminium‑ion graphene GMG yang berpotensi memiliki kepadatan energi lebih baik dibandingkan baterai lithium‑ion.
Untuk periode tiga bulan dan sembilan bulan yang berakhir pada 31 Maret 2024, GMG menghasilkan pendapatan sebesar 53.000 dan 212.000 dolar Australia, masing‑masing.
Material Keajaiban Masa Depan?
Sifat dan fitur terobosan Graphene akan memungkinkannya mencapai lebih banyak di masa depan. Ia akan digunakan dalam Elektronik, Fotoni, Energi, Biomedis, Komposit, dan perancangan material 2D masa depan.
Material 2D ini menawarkan sifat fisik dan kimia yang luar biasa, memungkinkan aplikasi revolusioner dalam optoelektronik, energi, sensor, komposit, dan lainnya. Kunci untuk pertumbuhan cepat adalah mengembangkan cara yang bekerja dengan Graphene secara paling berkelanjutan dan biaya rendah.
