Dari Graphene ke Goldene: Material Lapisan Tunggal Atom Tingkat Lanjut Membuka Pintu Baru untuk Penemuan Masa Depan

Tidak ada di antara kita yang meragukan nilai emas dalam pikiran kita. Bagaimanapun, ia adalah penyimpan nilai paling populer dan paling lama. Namun, kemajuan ilmiah yang dicapai oleh peradaban manusia kini telah membawa kita ke ambang Goldene. Dan itu bisa menjadi pengubah permainan, setidaknya. Tetapi apa itu Goldene? Mengapa komunitas ilmiah begitu bersemangat tentangnya? Mari kita selami lebih dalam.

Goldene: Lembaran Emas yang Hanya Setebal Satu Lapisan Atom

Untuk pertama kalinya, peneliti dari Universitas Linköping, Swedia, telah menciptakan lembaran emas yang ketebalannya setara dengan satu lapisan atom. Para peneliti menamai turunan ini Goldene. Goldene dapat berguna untuk berbagai tugas canggih, termasuk konversi karbon dioksida, produksi hidrogen, dan produksi bahan kimia bernilai tambah. 

Menurut Shun Kashiwaya, peneliti di Divisi Desain Material di Universitas:

“Jika Anda membuat material sangat tipis, sesuatu yang luar biasa terjadi – seperti pada graphene. Hal yang sama terjadi pada emas. Seperti yang Anda ketahui, emas biasanya merupakan logam, tetapi jika ketebalannya satu lapisan atom, emas dapat menjadi semikonduktor sebaliknya.”

Bagaimana ‘Goldene’ Diciptakan?

Penemuan dimulai dengan pengembangan material dasar tiga dimensi yang dibuat dengan menyisipkan emas di antara lapisan titanium dan karbon. Pada suhu tinggi, silikon berlapis tipis dari Titanium Silicon Carbide digantikan oleh Emas, yang mengarah pada penemuan Titanium Gold Carbide. Namun, itu merupakan penemuan kebetulan. Para peneliti bertujuan melapisi titanium silicon carbide yang konduktif secara listrik dengan emas agar dapat membuat kontak.  

Untuk melaksanakan pekerjaan mereka, para peneliti memanfaatkan metode tradisional yang telah menjadi bagian dari seni penempaan Jepang selama lebih dari seratus tahun. Komponennya disebut reagen Murakami. Para peneliti menggunakannya dalam konsentrasi berbeda dan selama rentang waktu yang berbeda untuk akhirnya mencapai komponen. 

Meskipun mereka akhirnya dapat memproduksi lembaran emas dengan ketebalan satu atom yang diinginkan, penting untuk membuatnya stabil. Mereka menggunakan tensida, molekul panjang untuk memisahkan dan menstabilkan lembaran, sebagai surfaktan agar lembaran tidak melengkung. 

Saat menjelaskan hasil akhir dan validasi ilmiahnya, Shun Kashiwaya, salah satu peneliti, mengatakan hal berikut:

“Lembaran emas berada dalam larutan, agak mirip sereal jagung dalam susu. Dengan menggunakan jenis “saringan,” kami dapat mengumpulkan emas dan memeriksanya menggunakan mikroskop elektron untuk memastikan bahwa kami telah berhasil. Dan kami memang berhasil.”

Berbagai Potensi Aplikasi Goldene

Berbagai potensi aplikasi Goldene mencakup beragam bidang, termasuk konversi karbon dioksida, katalisis menghasilkan hidrogen, produksi selektif bahan kimia bernilai tambah, produksi hidrogen, pemurnian air, komunikasi, dan banyak lagi.

Dalam tindak lanjut selanjutnya, para peneliti berencana mengeksplorasi kemungkinan mengurangi jumlah emas yang digunakan dalam aplikasi ini dan menggantikan emas dengan logam mulia lainnya. Senyawa baru ini mungkin memiliki banyak aplikasi baru. 

Meskipun Goldene menjanjikan pembukaan banyak pintu baru dalam hal aplikasi ilmiah dan teknologi, ketertarikan komunitas ilmiah terhadap material atom lapisan tunggal bukanlah hal baru. 

Kasus Ajaib Material Atom Lapisan Tunggal: Graphene dan Lainnya

Setiap kali kita membicarakan material atom lapisan tunggal, kita pasti membahas Graphene. Material ini populer karena potensinya. Diekstrak dari Grafit, bentuk kristalin karbon, Graphene ringan, elastis, dan kuat. Selain tipisnya, ia memiliki resistansi tinggi, 200 kali lebih tinggi daripada baja. Namun, ia lima kali lebih ringan daripada aluminium. Ia juga memiliki kemampuan menyerap cahaya serta konduktivitas listrik dan termal yang tinggi.  

Graphene semakin banyak dibicarakan akhir-akhir ini karena terobosan yang baru-baru ini dicapai di mana peneliti berhasil menunjukkan semikonduktor graphene fungsional pertama. Penemuan ini dapat menyebabkan perubahan dramatis dalam dunia komputasi dan elektronik. 

Meskipun graphene dapat menjadi material atom lapisan tunggal yang paling populer dan paling banyak diterapkan, ada beberapa contoh lain dalam kategori ini. 

Material atom lapisan tunggal juga dikenal sebagai material non-lapisan 2D. Mereka dinamakan demikian karena pembentukannya terjadi melalui ikatan kimia dalam tiga dimensi (3D), menghasilkan ikatan menggantung yang tidak jenuh pada permukaan dan menghasilkan permukaan dengan aktivitas tinggi dan energi tinggi. 

Selain Graphene, contoh material lapisan tunggal semacam itu adalah fosfor hitam, yang dikenal sebagai fosforena. Di antara material non-lapisan lainnya, terdapat contoh silikon dan germanena. 

Karena sifatnya yang bergantung pada lapisan, efek tepi lapisan, dan struktur pita yang bervariasi, material ini sering menunjukkan kumpulan sifat unik di tepinya. Mereka dapat dimodifikasi oleh tegangan atau medan listrik yang diterapkan, yang juga memberikan mereka sifat penyesuaian. 

Kalsogenida logam, oksida logam, semikonduktor III-V, dan perovskit organik-anorganik termasuk beberapa material atom lapisan tunggal atau dua dimensi non-lapisan yang paling umum. 

Mari kita lihat sekilas beberapa contoh nyata material tersebut. Contoh Kalsogenida Logam meliputi molibdenum disulfida (MoS2), tungsten disulfida (WS2), dan tungsten diselenida (WSe2), sementara indium oksida (In2O3), timah oksida (SnO2), dan seng oksida (ZnO) merupakan contoh utama oksida logam. 

Semikonduktor III-V mendapatkan namanya karena terdiri dari unsur golongan III, seperti aluminium, gallium, atau indium, yang terikat dengan unsur golongan V, seperti fosfor, arsenik, atau antimon. Gallium Arsenide dan Indium Phosphate adalah contoh semikonduktor III-V. 

Contoh perovskit organik-anorganik meliputi metil amonium timbal iodida (MAPbI3) dan formamidinium timbal iodida (FAPbI3).

Material-material ini dapat menemukan berbagai aplikasi. Ada perusahaan yang membangun solusi berbasis material ini. Pada segmen berikutnya, kami akan menelusuri lebih jauh. 

#1. Haydale Graphene Industries

Sifat inert Graphene membuatnya sulit diadopsi. Haydale Graphene Industries, untuk mengatasi masalah tersebut, mengembangkan proses powder-in, powder-out yang dapat dengan mulus mengatasi masalah fungsionalisasi plasma. 

Proses yang dapat membuka potensi Graphene ini dikenal sebagai Haydale HDPlas, metode kering, bersih, dan ramah lingkungan yang dapat meningkatkan graphene dan nanomaterial lainnya dengan memberikan kekuatan mekanik yang diperlukan serta konduktivitas listrik dan termal yang lebih tinggi. 

Haydale telah mengembangkan banyak solusi berbasis graphene yang menarik, termasuk berbagai tinta graphene yang dapat disesuaikan untuk perangkat biomedis, elektronik fleksibel, elemen pemanas, dan teknologi yang dapat dipakai. Mereka juga menyediakan boron nitride yang difungsionalisasi, dikenal sebagai graphene putih. Material keramik sintetis ini tidak beracun dan dapat ditemukan dalam bentuk padatan dan serbuk. Beberapa sifatnya meliputi isolasi, kekuatan, berat, dan konduktivitas listrik. 

Portofolio Haydale yang mencakup graphene terfungsionalisasi dan aditif nanomaterial juga terbukti efektif dalam pembuatan produk elastomer. Ini dapat digunakan pada ban sepeda dan jalan berbahan karet, sol sepatu karet, segel, dan gasket. Produk graphene Silicon Carbide dari Haydale digunakan dalam perawatan permukaan keramik-polimer untuk melindungi produk beton. 

Dengan menggunakan graphene, Haydale juga telah mengembangkan komposit berguna, termoplastik, dan alat pemotong surya. 

Baru-baru ini Haydale (AIM: HAYD) mengumumkan hasil Interim untuk tahun yang berakhir pada 31 Desember 2023 (“FY23”). Menurut laporan tersebut, Pendapatan Grupnya meningkat 38% menjadi £2,47 juta (H1 FY23 £1,78 juta).

#2. Siemens

Contoh penggunaan graphene foil yang sangat maju lainnya dapat dilihat dalam pembangunan Siemens. sebagai dalam sekelompok peneliti memanfaatkan foil graphene sebagai foil ekstraktor (stripper) dalam Siklotron Siemens Eclipse 11-MeV. 

Foil ini menunjukkan konduktivitas termal yang sangat tinggi dibandingkan karbon serta kekuatan mekanik yang signifikan. Umur pakainya lebih dari  16,000 PA*H. Penggunaan foil graphene juga menghasilkan peningkatan signifikan pada faktor transmisi—rasio arus berkas pada foil stripper terhadap arus pada target—yang melebihi 90%. 

Eksperimen ini menunjukkan bagaimana foil graphene lapisan tunggal atom dapat bersaing secara efisien dengan foil karbon lainnya, yang biasanya digunakan sebagai foil stripper. 

Siemens dikenal di seluruh dunia karena memproduksi produk berkelas tinggi, canggih, dan intensif teknologi. Perusahaan yang menggunakan material atom lapisan tunggal dalam bentuk foil menunjukkan potensi kategori ini. 

Pada FY 2023, Siemens memperoleh pendapatan sebesar 19,66 miliar Euro, peningkatan signifikan dibandingkan 17,39 miliar Euro yang tercatat pada 2022. 

Eksplorasi Lebih Lanjut tentang Material Lapisan Tunggal Atom

Penelitian terbaru menunjukkan bahwa, selain material seperti Goldene atau Graphene, monolayer Black Phosphorus, yang juga dikenal sebagai Phosphorene, menawarkan keunggulan khusus dalam aplikasi sensor. Ilmuwan dan peneliti mengaitkan manfaat unik ini dengan struktur kisi “puckered” Phosphorene, yang memberikan material rasio permukaan-ke-volume yang lebih besar dibandingkan graphene dan dikalkogenida logam transisi (TMDCs). Phosphorene bersifat serbaguna dalam aplikasinya dan dapat digunakan dalam berbagai skenario sensor, termasuk sensor gas, sensor kelembaban, foto-deteksi, bio-sensor, dan sensor ion.

Phosphorene juga menunjukkan janji besar dalam elektronik dan optoelektronik. Publikasi ilmiah telah mengungkapkan bahwa sifat elektronik, transportasi, optoelektronik, termelektrik, dan mekanik yang secara intrinsik anisotropik berbeda secara signifikan dari graphene dan dikalkogenida logam transisi. Kemudahan fabrikasi dan sifat baru Phosphorene telah mendorong perancangan dan demonstrasi nanodevase baru. 

Studi lain menyoroti manfaat menggabungkan graphene dan phosphorene. Untuk menyelami lebih dalam bagaimana kombinasi ini dapat berguna, kami melihat perbandingan baterai natrium-ion sebagai alternatif baterai litium-ion. Meskipun baterai natrium-ion menunjukkan kinerja yang sebanding dengan baterai litium-ion, tantangannya terletak pada pengembangan material anoda yang lebih layak. Dan inilah peran kombinasi graphene-phosphorene. 

Dalam sebuah eksperimen ilmiah, para peneliti menunjukkan potensinya. Material hibrida yang terdiri dari beberapa lapisan phosphorene yang diselipkan di antara lapisan graphene dapat menunjukkan kapasitas spesifik sebesar 2,440 mA h g−1 (dihitung menggunakan massa fosfor saja) pada densitas arus 0,05 A g−1 dan retensi kapasitas 83% setelah 100 siklus saat beroperasi antara 0 hingga 1,5 V. 

Para peneliti menggunakan teknik mikroskop transmisi elektron in situ dan difraksi sinar‑X ex‑situ untuk menjelaskan kapasitas besar anoda yang mereka kembangkan. Mereka mengembangkannya melalui mekanisme ganda interkalasi ion natrium sepanjang sumbu x lapisan phosphorene, diikuti pembentukan paduan Na3P. 

Material lapisan tunggal atom lain yang berhasil menarik imajinasi komunitas ilmiah adalah Germanene. Ketertarikan pada Germanene terutama karena sifat optiknya. Perhitungan terkait menunjukkan bahwa lembaran Germanene memiliki penyerapan cahaya yang signifikan dalam spektrum matahari dan menunjukkan anisotropi optik. 

Germanene unik karena merupakan semikonduktor dengan celah pita nol dan dispersi pita linear di sekitar titik K. Sementara pembukaan celah pita terjadi dalam keberadaan tegangan bias, celah tersebut meningkat secara linear seiring dengan peningkatan kekuatan tegangan bias. 

Oleh karena itu, bukan hanya goldene tetapi juga sekumpulan material lapisan tunggal atom, termasuk graphene, phosphorene, germanene, dan lainnya, akan membuka frontier ilmiah baru untuk penemuan masa depan. 

Kita harus tetap fokus pada sifat-sifat material ini. Hanya dengan begitu kita dapat menemukan lebih banyak aplikasi. Kita harus ingat bahwa aktivitas permukaan tinggi pada material 2D non‑lapisan menjadikannya katalis yang berguna untuk reaksi penting, seperti oksidasi karbon dioksida dan reduksi air. 

Material-material ini telah membuktikan nilainya dalam penyimpanan dan konversi energi dengan membantu merancang sel bahan bakar dan sel surya. Dalam optoelektronik, sifatnya menghasilkan dioda pemancar cahaya, laser, dan sensor berkualitas tinggi. Sifat isolasi topologis mereka juga membantu membuat isolator yang menghantarkan listrik pada permukaannya tetapi mengisolasi di dalam bulk. 

Secara keseluruhan, material lapisan tunggal atom tingkat lanjut adalah gerbang menuju banyak peluang. Di masa depan, kita pasti akan menyaksikan adopsi yang luas! 

Klik untuk daftar lima perusahaan yang memimpin pengembangan nanoteknologi.