Paduan Nanokristalin yang Ditingkatkan Dapat Merevolusi Dirgantara & Otomotif

Seperti namanya, nanokristal adalah partikel kecil. Partikel ini adalah elemen kristalin dengan setidaknya satu dimensi lebih kecil dari 1.000 nanometer, di mana satu nanometer adalah satu per miliar meter.

Nanopartikel yang berukuran sekecil di bawah 10 nanometer menjadi titik kuantum. Journal of Biotechnology menawarkan wawasan komprehensif tentang klasifikasi nanopartikel, sifat fisikokimia, karakterisasi, dan aplikasinya.

Material nano bervariasi dalam hal dimensi mereka. Misalnya, mereka dapat berupa nol dimensi, satu dimensi, dua dimensi, dan tiga dimensi. Mereka dapat membantu membentuk fulleren, nanotube, nanohorn, nanosheet, nanolayer, nanowire, dan array nanotube.

Mereka dapat bersifat organik, berbasis karbon, atau anorganik. Dan yang paling penting, nanopartikel memiliki berbagai sifat, termasuk yang bersifat mekanik, termal, magnetik, elektronik & optik, atau katalitik. Spektrum kegunaan yang luas ini menjadikan nanokristal bermanfaat dan mendukung pembuatan solusi mutakhir untuk masa depan. 

Pengembangan di bidang nanokristal telah melahirkan paduan nanokristalin. Ilmuwan menganggap paduan ini sangat penting karena sifat hidrogenasi uniknya. Paduan ini biasanya memiliki ukuran butir kurang dari 50 nanometer. Sebuah publikasi riset dari Cornell University mengklaim bahwa penyesuaian skala nano membantu paduan menahan dampak berkecepatan tinggi. 

Pada segmen berikutnya, kami menyelami lebih dalam untuk memahami mengapa riset ini merupakan terobosan.

Mengatasi Deformasi pada Kristal dan Kerapuhan pada Logam

Dislokasi memainkan peran penting dalam deformasi plastis pada kristal. Pada laju regangan ekstrem, gerakannya beralih dari glide yang diaktifkan secara termal ke transportasi balistik, menyebabkan hambatan signifikan akibat interaksi dengan fonon. Inilah penyebab kerapuhan dan kegagalan pada logam.

Dalam riset yang kami bahas di sini, ilmuwan menyajikan bukti yang menunjukkan bahwa pada Cu-3Ta, sebuah paduan nanokristalin yang stabil termomekanik¹, efek hambatan fonon sepenuhnya tertekan bahkan pada laju regangan ultra-tinggi (10^9 s−1). Hal ini terjadi karena penahanan stabil dislokasi dalam rentang beberapa nanometer, membatasi kecepatan mereka dan interaksi dengan fonon.

Studi tersebut menunjukkan bahwa dalam lingkungan terkonfinasi, efek hambatan dislokasi-fonon minimal, berpotensi meningkatkan kinerja material di bawah kondisi ekstrem.

Semua ini mungkin terdengar sangat teknis. Pada segmen berikutnya, kami dapat memahami fenomena ini dalam konteks penerapannya di dunia nyata. 

Merancang Logam dan Paduan yang Siap Menahan Dampak Ekstrem

Dalam istilah yang lebih mudah dipahami, kolaborasi yang dipimpin Cornell telah merancang metode baru untuk merancang logam dan paduan yang dapat menahan dampak ekstrem. Peneliti mencapai hal ini dengan memperkenalkan ‘speed bump’ skala nanometer yang menekan transisi fundamental yang mengontrol cara material logam mengalami deformasi.

Peneliti ingin kita membayangkan skenario di mana material logam dipukul dengan kecepatan sangat tinggi, mirip dengan yang terjadi pada tabrakan jalan raya dan dampak balistik. Kerapuhan menyebabkan material pecah dan gagal, dan dapat dipahami sebagai kehilangan kelenturan akibat deformasi cepat. 

Peneliti kemudian mengeksplorasi faktor-faktor yang berkontribusi pada kelenturan logam. Kelenturan ini merupakan hasil dari cacat kecil atau dislokasi yang bergerak melalui butir kristal hingga menemui penghalang. Kecepatan dislokasi meningkat di bawah regangan cepat dan ekstrem. Dislokasi yang dipercepat ini—sering terjadi pada kecepatan kilometer per detik—mulai berinteraksi dengan getaran kisi, atau fonon, menciptakan hambatan signifikan. Interaksi ini pada akhirnya mengarah pada transportasi balistik dari glide yang diaktifkan secara termal, menyebabkan hambatan besar dan kerapuhan.

Apa yang dilakukan peneliti untuk mengendalikan kegagalan semacam itu? Mostafa Hassani, asisten profesor di Sibley School of Mechanical and Aerospace Engineering dan Department of Materials Science and Engineering di Cornell Engineering, mengatakan:

“Untuk menekan transportasi dislokasi balistik dan hambatan fonon yang dihasilkan, kami menggunakan konsep membatasi gerakan dislokasi, glide mereka, pada skala nanometer.”

Mostafa Hassani memimpin tim peneliti Cornell yang bekerja bersama peneliti dari Army Research Laboratory (ARL). Untuk merancang solusi, tim menciptakan paduan nanokristalin, tembaga-tantalum (Cu-3Ta). 

Tembaga dipilih karena butir nanokristalnya sangat kecil sehingga pergerakan dislokasi menjadi terbatas secara inheren. Tantalum menambah nilai dengan lebih membatasi pergerakan melalui klaster nanometer yang terdapat di dalam butir.

Klik di sini untuk mempelajari semua tentang paduan Ti-AL yang revolusioner.

Pelaksanaan Eksperimen di Laboratorium

Para peneliti menggunakan platform meja khusus yang meluncurkan mikroproyektil bulat berukuran 10 mikron, melalui pulsa laser, mencapai kecepatan hingga 1 kilometer per detik—lebih cepat dari pesawat terbang. Saat mikroproyektil menabrak material target, dampaknya direkam oleh kamera berkecepatan tinggi.

Sebagai bagian dari eksperimen, peneliti melakukannya pertama dengan tembaga murni dan kemudian dengan tembaga-tantalum. Untuk menambah variasi pada skenario uji, peneliti juga mengulangi eksperimen dengan kecepatan lebih lambat menggunakan ujung bulat, yang secara bertahap ditekan ke dalam substrat, menekuknya. 

Dalam pengukuran pada laju tinggi, peneliti melihat data yang berkaitan dengan kecepatan tumbukan dan pantulan serta ukuran partikel. Penanganan data yang tepat sangat penting, karena dapat membantu mengisolasi kontribusi hambatan dislokasi-fonon dan secara sistematis menekan kontribusi tersebut.

Penekanan tersebut memang efektif dan menghasilkan hasil seperti pada logam atau paduan konvensional; dislokasi dapat bergerak beberapa puluh mikron tanpa penghalang. Namun pada tembaga-tantalum nanokristalin, dislokasi hampir tidak dapat bergerak lebih dari beberapa nanometer, yang 1.000 kali lebih kecil dari satu mikron, sebelum mereka terhenti dalam jejaknya.

Temuan ini merangkum sifat terobosan dari riset tersebut. Meskipun kerapuhan dapat ditekan secara efektif, ini adalah pertama kalinya peneliti melihat perilaku seperti ini pada laju yang begitu tinggi. 

Ke depan, peneliti berencana memperluas proposisi mereka dari penerapan pada satu mikrostruktur dan satu komposisi menjadi penyesuaian komposisi dan mikrostruktur serta mengendalikan hambatan dislokasi-fonon. Akankah mereka dapat memprediksi sejauh mana interaksi dislokasi-fonon? Itu adalah hal yang akan dijelaskan oleh eksperimen masa depan di bidang ini. 

Meskipun masa depan menjanjikan banyak hal dan penuh kemungkinan, penerapan riset ini sudah terbukti. Temuan, seperti yang dikutip dalam makalah, dapat mengarah pada pengembangan mobil, pesawat, dan armor yang dapat lebih tahan terhadap dampak berkecepatan tinggi, panas ekstrem, dan tekanan. 

Aplikasi Dunia Nyata & Garis Waktu

Analis industri dan pakar percaya kemajuan ini dapat menghasilkan pengembangan material yang lebih tahan terhadap dampak untuk digunakan pada mobil, pesawat, dan armor pelindung, dengan aplikasi komersial potensial muncul dalam 5 hingga 10 tahun ke depan seiring teknologi matang dan terintegrasi ke proses manufaktur.​

Ketahanan terhadap dampak adalah sifat penting bagi material, terutama material yang digunakan dalam manufaktur. Sifat ini memungkinkan material menahan benturan tiba-tiba dengan gaya tinggi tanpa pecah atau berubah bentuk. Memiliki pemahaman yang tepat tentang material tahan dampak sangat penting ketika menangani aplikasi di bidang otomotif, dirgantara, peralatan industri, dan produk konsumen.

Struktur dirgantara rentan terhadap berbagai beban benturan selama layanan, mulai dari tabrakan burung, dampak hujan es, hingga kegagalan bilah kipas mesin. Oleh karena itu, ketahanan terhadap dampak menjadi salah satu penilai paling kritis dalam desain struktur dirgantara karena memengaruhi keselamatan, keandalan, dan biaya struktur dirgantara.

Penelitian ini dapat membantu mencapai standar ketahanan dampak yang lebih tinggi. Ini merupakan parameter penting untuk mencapai keberhasilan karena beban dampak dapat berubah cepat seiring waktu, menyebabkan deformasi material pada laju regangan tinggi.

Komunitas ilmiah menganggap sifat mekanik dan karakteristik kegagalan material yang bergantung pada laju regangan sangat penting untuk desain aman struktur teknik. Diskusi riset ini dapat secara signifikan meningkatkan aspek tersebut. Namun, ilmuwan percaya bahwa penilaian struktur dirgantara di bawah beban dampak menghadirkan tantangan dalam karakterisasi eksperimental berfidelitas tinggi dan pemodelan konstitutif, metode komputasi dan simulasi yang efisien, serta pengembangan struktur anti-dampak dan penyerapan energi yang baru.

Ketahanan terhadap benturan frontal dan samping merupakan faktor penting dalam menilai ketangguhan mobil. Di Latin New Car Assessment Programme, misalnya, benturan frontal dilakukan pada 64 kph (40 mph) saat mobil menabrak penghalang deformabel dengan 40% lebar sisi pengemudi (offset). 

Lebih penting adalah parameter ketahanan benturan samping, karena kecelakaan samping merupakan penyebab kematian dan cedera serius kedua terbanyak di wilayah seperti Eropa. Untuk mengukur ketahanan benturan samping, sesuai standar Latin NCAP, sebuah penghalang deformabel dipasang pada troli dan digerakkan pada 50 km/jam ke sisi kendaraan uji yang diam pada sudut tegak lurus. 

Ini adalah tes keselamatan yang sangat penting. Mereka membantu menentukan standar keselamatan kendaraan. Bagi produsen, parameter ini sangat penting. Memiliki standar ketahanan dampak tinggi membantu menciptakan kepercayaan bagi merek otomotif di pasar. 

Penelitian terkini dari tim Cornell University akan membantu meningkatkan parameter ketahanan dampak, tahan benturan, dan tahan tabrakan pada otomotif secara signifikan. Ini akan merevolusi industri-industri tersebut dengan membantu membangun struktur dan kendaraan yang jauh lebih aman dibandingkan solusi yang ada saat ini. 

Namun, agar penelitian ini menghasilkan hasil, kami memerlukan perusahaan yang dapat membantu mengimplementasikan solusi berbasis riset ilmiah secara komersial. Pada bagian berikut, kami membahas perusahaan pionir di bidang ini, ATI Inc. (ATI ), pemimpin dalam produksi material khusus canggih dan komponen, termasuk paduan berperforma tinggi yang digunakan dalam aplikasi dirgantara dan pertahanan.

Perusahaan Inovatif

ATI Inc. (ATI )

ATI Inc. adalah penyedia banyak layanan. Mereka mengklaim menyelesaikan tantangan dunia melalui ilmu material dengan memungkinkan pelanggannya, melalui material mereka, melakukan hal luar biasa – mulai dari mengoperasikan mesin jet pada suhu 2800 derajat Fahrenheit hingga melengkapi pertahanan negara untuk mengangkut cairan korosif dan aliran buang secara aman dan efisien, hingga memungkinkan wawasan medis yang mengubah hidup. 

Perusahaan melayani berbagai industri, termasuk dirgantara, pertahanan, energi, medis, dan elektronik. Mereka memproduksi beragam material dan komponen berperforma tinggi, serta paduan dan solusi canggih. 

Material dan Komponen Berperforma Tinggi oleh ATI Inc. 

Segmen material dan komponen berperforma tinggi perusahaan bertanggung jawab untuk memproduksi, mengkonversi, dan mendistribusikan material yang memenuhi kebutuhan pasar pengguna akhir canggih seperti dirgantara dan pertahanan, industri minyak dan gas/proses kimia, energi listrik, dan medis.

Material yang disuplai oleh perusahaan dalam kategori ini meliputi titanium dan paduan berbasis titanium, paduan berbasis nikel dan kobalt serta superalloy, paduan serbuk canggih, dan logam khusus lainnya dalam bentuk produk panjang, seperti ingot, billet, batang, rod, kawat, bentuk, dan persegi panjang, serta tabung tanpa sambungan, plus bagian flowform, penempaan presisi, dan bagian yang dimesin. 

Perusahaan menawarkan layanan terintegrasi penuh yang dimulai dari pasokan bahan baku (sponge) hingga pencairan, peleburan ulang, pemrosesan akhir, penempaan, dan pemesinan pada produk titanium dan paduan titanium serta produk paduan zirkonium dan hafnium.

Segmen Material Khusus perusahaan memastikan bahwa material seperti titanium, nikel, kobalt, dan baja, yang dipadu melalui formula presisi dan proses kompleks, mengembangkan ketahanan terhadap keausan, panas, dan korosi. 

Misalnya, paduan berbasis nikel & kobalt serta superalloy ATI digunakan dalam mesin jet, turbin gas, proses kimia, penyulingan minyak, kelautan, elektronik, dan aplikasi lain di mana baja tahan karat umum mungkin tidak memberikan kinerja yang memadai.

Dalam kategori produk titanium dan paduan titanium, ATI memproduksi titanium murni komersial berdaya tinggi dan produk paduan titanium dalam bentuk rol datar dan panjang, bentuk net, serta komponen.

Perusahaan juga terlibat dalam produksi titanium murni komersial dan paduan titanium seperti logam serbuk titanium near-net-shape, aluminida titanium, pengecoran dan penempaan titanium yang sangat direkayasa, serta komponen titanium yang dimesin.

Produk baja khusus yang diproduksi oleh ATI dikenal karena ketahanan terhadap korosi dan panas. Paduan baja ini digunakan secara beragam dalam berbagai industri, termasuk dirgantara dan pertahanan, industri proses kimia, minyak dan gas, energi listrik, medis, otomotif, peralatan makanan dan peralatan rumah tangga, konstruksi, pertambangan, transportasi, dan elektronik.

Paduan berbasis nikel & kobalt serta superalloy ATI digunakan dalam mesin jet, turbin gas, proses kimia, penyulingan minyak, kelautan, elektronik, dan aplikasi lain sebagai solusi pelengkap untuk kasus di mana baja tahan karat umum mungkin tidak memberikan kinerja yang memadai.

Secara keseluruhan, ATI beroperasi melalui spektrum luas. Mereka menawarkan solusi beragam untuk berbagai industri melalui keahlian ilmu material mutakhir. 

Pada Q4 2024, ATI mencatat pendapatan naik 12% secara berurutan menjadi $1,2 miliar. Adjusted EBITDA sebesar $210 juta, di atas kisaran panduan perusahaan sebesar $181 juta hingga $191 juta. Secara tahunan, pendapatan hampir $4,4 miliar, tertinggi ATI sejak 2012. Adjusted EBITDA sebesar $729 juta. Dan margin EBITDA hampir 17%. 

Berbicara khusus tentang ketahanan dampak, ATI memiliki banyak material dalam portofolionya. Stainless steel ATI 302™ (S30200), ATI 304™ (S30400), ATI 304L™ (S30403), dan ATI 305™ (S30500), misalnya, dikenal karena ketahanan dampaknya. Set kumpulan stainless steel austenitik yang dipanaskan ini mempertahankan ketahanan dampak tinggi bahkan pada suhu kriogenik, sifat yang, bersama dengan kekuatan suhu rendah dan kemampuan fabrikasinya, telah membuatnya digunakan dalam penanganan gas alam cair dan lingkungan kriogenik lainnya.

Paduan ATI 625™ (UNS Designation N06625) adalah superalloy berbasis nikel austenitik yang memiliki ketahanan luar biasa terhadap oksidasi dan korosi dalam berbagai kondisi korosif, termasuk lingkungan mesin jet dan banyak aplikasi dirgantara serta proses kimia. Produk ini mempertahankan ketahanan dampak tinggi pada suhu rendah.

Ini hanya beberapa contoh. Masih banyak solusi material canggih lainnya dari ATI. 

Terbaru tentang ATI Inc.

Masa Depan Paduan Nanokristalin

Masa depan paduan nanokristalin penuh dengan janji. Paduan berbasis magnesium nanokristalin telah menarik minat penelitian karena potensinya memberikan peningkatan dalam kinetika hidrasi pada suhu ringan atau bahkan suhu kamar. Paduan ini juga terbukti efektif dalam menurunkan suhu desorpsi hidrogen. 

Paduan nanokristalin berbasis magnesium yang dipersiapkan melalui alloying mekanik menunjukkan kinetika hidrasi yang jauh lebih baik pada suhu sedang. 

Penelitian selama dekade terakhir telah menunjukkan bahwa upaya R&D pada material nanokristalin ketika dimodifikasi dengan tepat, dapat memberikan kontribusi revolusioner dalam meningkatkan sifat material. Sifat-sifat ini meliputi kinetika dan termodinamika, struktur, mikrostruktur, serta sifat magnetik intrinsik dan ekstrinsik.

Nanoengineering material logam juga muncul sebagai bidang studi penting. Material nanostruktur mungkin baru, tetapi mereka telah menemukan aplikasi teknik yang memerlukan produksi dalam jumlah besar tonase. Lebih dari 30.000 ton per tahun dari paduan nanokristalin magnetik lunak diproduksi melalui kristalisasi pita amorf RSP.

Penelitian menandai komposit nanokristalin WC-Co sebagai keberhasilan awal, dengan kekerasan, ketangguhan, dan ketahanan aus yang superior, menyediakan alat pemotong berperforma tinggi. Struktur sangat halus dari alat nanokristalin menjanjikan kinerja pengeboran dan pemotongan halus yang superior dalam area mikro-pemotongan. Menurut laporan ilmiah publik yang tersedia, aluminium dan magnesium nanokomposit yang mengandung fraksi volume tinggi presipitat nanoskal menunjukkan kekuatan sangat tinggi dan ductilitas sedang.

Namun, material ini hanya diproduksi dalam jumlah relatif kecil dan belum mencapai aplikasi komersial. Material nanokristalin yang berasal dari paduan amorf massal menawarkan kekuatan tinggi dan ketangguhan sedang. Namun, pengembangan lebih lanjut diperlukan untuk mencapai ductilitas dan ketangguhan bagi aplikasi teknik kritis. 

Secara keseluruhan, paduan nanokristalin merupakan bidang ilmiah yang berkembang dengan potensi inovasi dan penemuan mutakhir. Seiring waktu, mereka akan merevolusi banyak bidang lain, seperti dirgantara dan otomotif, tentu saja.

Klik di sini untuk mempelajari tentang Rhenium, material dirgantara berperforma tinggi.

Studi yang Dirujuk:

1. Tang, Q., Li, J., Hornbuckle, B. C., et al. (2025). Transportasi balistik dislokasi yang ditekan pada laju regangan hingga 10^9 s–1 dalam paduan nanokristalin yang stabil. Communications Materials, 6(43). https://doi.org/10.1038/s43246-025-00757-8