Efek Akordeon Graphene Meningkatkan Masa Depan Teknologi Wearable

Baru sekitar dua dekade yang lalu graphene ditemukan. Dalam periode yang singkat, “bahan ajaib” ini telah menjadi bagian integral dari elektronik dan teknologi semikonduktor, penyimpanan energi, manajemen termal, ilmu material, dan industri lainnya. 

Sejak Profesor Kostya Novoselov dan Andre Geim dari University of Manchester mengisolasi dan mengkarakterisasi graphene pada tahun 2004, yang membuat mereka menerima Nobel Fisika 2010, bahan ini tetap menjadi salah satu bidang penelitian paling menarik dalam elektronik.

Graphene adalah material dua dimensi (2D) yang terdiri dari lapisan sangat tipis hanya satu lapisan atom karbon. Ia menunjukkan sifat luar biasa, termasuk ringan, konduktivitas listrik yang sangat tinggi, dan kekuatan mekanik yang kuat.

Sekarang, peneliti telah menemukan sifat baru graphene menggunakan metode unik.

Efek Akordeon: Membuat Graphene Sangat Elastis 

Dipimpin oleh Jani Kotakoski, tim fisikawan di University of Vienna telah membuat graphene, untuk pertama kalinya, jauh lebih elastis dengan memainkannya seperti akordeon. Sifat baru ini terungkap dalam lingkungan pengukuran yang bersih dan tanpa udara.

Gelombang pada graphene membuatnya elastis, membuka jalan bagi penggunaannya dalam perangkat wearable, di mana material harus melengkung dan bergerak bersama tubuh sambil tetap berfungsi secara andal.

Diterbitkan dalam jurnal Physical Review Letters¹, studi ini dilakukan bekerja sama dengan Vienna University of Technology dan didanai oleh Austrian Science Fund (FWF).

Tim peneliti melakukan eksperimen yang sebenarnya menjelaskan bahwa kekakuan ekstrem graphene disebabkan oleh atom-atom dalam material yang tersusun dalam bentuk sarang lebah; dengan demikian, menghilangkan beberapa atom beserta ikatannya mengurangi kekakuannya. 

Studi ilmiah sebenarnya melaporkan kontradiksi; baik penurunan ringan maupun peningkatan signifikan.

Studi terbaru membuat hal ini sangat jelas berkat penggunaan perangkat canggih, yang berbagi lingkungan bersih dan tanpa udara yang sama. Menurut Katokoshi:

“Sistem unik yang kami kembangkan di University of Vienna memungkinkan kami memeriksa material 2D tanpa gangguan.” 

Lingkungan bersih dan tanpa udara memungkinkan sampel dipindahkan antar perangkat tanpa terpapar udara sekitar.

“Untuk pertama kalinya jenis eksperimen ini dilakukan dengan graphene yang sepenuhnya terisolasi dari udara sekitar dan partikel asing yang terkandung di dalamnya. Tanpa pemisahan ini, partikel-partikel tersebut akan cepat mengendap di permukaan, memengaruhi prosedur eksperimen dan pengukuran.”

– Penulis pertama studi, Wael Joudi

Fokus pada kebersihan permukaan material ini sebenarnya menghasilkan penemuan efek akordeon yang terkait dengan kekakuan graphene.

Menghilangkan dua atom tetangga sudah menyebabkan penonjolan yang terlihat pada material yang awalnya datar. Beberapa penonjolan ini bersama-sama menghasilkan korugasi pada material.

“Anda dapat membayangkannya seperti akordeon. Saat ditarik, material bergelombang kini menjadi rata, yang memerlukan gaya jauh lebih sedikit dibandingkan menegangkan material datar sehingga menjadi lebih elastis.” 

– Joudi

Pembentukan gelombang dan elastisitas selanjutnya telah dikonfirmasi oleh simulasi yang dilakukan oleh Florian Libisch dan Rika Saskia Windisch, fisikawan teoretis dari Vienna University of Technology.

Studi tersebut melaporkan pengamatan bahwa resistensi material terhadap deformasi elastis menurun dari 286 menjadi 158  N/m. Penurunan ini “jauh lebih signifikan” dibandingkan prediksi kebanyakan studi dan juga kontras dengan beberapa pengukuran yang dipresentasikan, karena korugasi yang dihasilkan oleh tegangan lokal pada vakansi dengan setidaknya dua atom yang hilang.

Eksperimen yang dilakukan tim lebih lanjut menunjukkan “bahwa efek berlawanan dapat diukur ketika kontaminasi permukaan tidak dihilangkan sebelum rekayasa cacat.”

Jadi, partikel asing pada permukaan material sebenarnya menekan efek ini dan bahkan menciptakan hasil berlawanan. Secara khusus, pengaruh partikel-partikel ini membuat graphene tampak lebih kaku, yang menjelaskan kontradiksi yang dilaporkan oleh eksperimen sebelumnya. Menurut Joudi:

“Ini menunjukkan pentingnya lingkungan pengukuran saat menangani material 2D. Hasilnya membuka cara untuk mengatur kekakuan graphene dan dengan demikian membuka jalan bagi aplikasi potensial.” 

Mendorong Batas Graphene dengan Penemuan Mutakhir

Teknologi wearable merupakan industri yang berkembang pesat, diproyeksikan tumbuh melebihi $150 miliar sebelum dekade berakhir.

Komponen kunci perangkat wearable seperti jam pintar, cincin, kacamata, gelang, tato pintar, perhiasan, tekstil, perban, masker wajah, dan regulator glukosa waktu nyata adalah sensor, yang memfasilitasi deteksi biometrik, mengumpulkan data, dan kemudian menyesuaikan diri dengan kebutuhan tubuh.

Perkembangan cepat perangkat listrik fleksibel dan dapat dirasakan telah menghasilkan sensor wearable berbasis graphene, yang menonjol karena potensi besar untuk membuat fasilitas kesehatan lebih mudah diakses dan meningkatkan kualitas aktivitas sensing.

Berbeda dengan semikonduktor tradisional yang kaku dan memiliki sifat optoelektronik terbatas, serta logam yang dapat mahal, beracun, dan mengalami penurunan kinerja saat terkena stres mekanik, sifat bawaan graphene membuatnya sangat cocok untuk membangun wearable berbiaya rendah dan multifungsi.

Studi terbaru telah menunjukkan kemampuan luar biasa material ini dalam perangkat tersebut berkat peningkatan dramatis dalam elastisitasnya. Namun ini bukan pertama kalinya; selama bertahun‑tahun, banyak studi telah menyelidiki peran graphene dalam wearable untuk berbagai alasan dan membuat banyak penemuan baru tentangnya.

Klik di sini untuk mempelajari mengapa pembersihan graphene membuka jalan bagi komersialisasinya.

Sensor Strain Wearable Berbasis Graphene 

Tahun lalu, peneliti mengembangkan² sensor strain wearable menggunakan graphene yang dapat mendeteksi dan menyiarkan ucapan diam.

Kalung ‘pintar’ yang dibuat oleh peneliti dari University of Cambridge menangkap mikrogerakan di tenggorokan, yang ditangkap oleh sensor strain sebagai sinyal listrik dan kemudian dimasukkan ke dalam model perangkat lunak untuk pemrosesan dan pengenalan suara. Ia bahkan dapat menangkap kata‑kata yang diucapkan secara diam‑diam dan menyiarkannya.

Wearable ini memiliki struktur khas, menampilkan retakan teratur pada tekstil berlapis graphene, yang secara signifikan meningkatkan sensitivitas. Lapisan graphene terstruktur di atas diterapkan pada sensor strain tekstil terintegrasi.

Metode fabrikasi teknologi ini juga sederhana, dapat diskalakan, berbiaya rendah, dan biokompatibel. Perangkat ini dapat beradaptasi untuk penggunaan jangka panjang dan dapat menahan lebih dari 10.000 siklus peregangan‑pelepasan sambil mempertahankan fungsi listrik yang stabil dan dapat diandalkan.

Dengan merespons secara dinamis mikrogerakan tenggorokan, ia dapat menangkap sinyal suara kaya informasi, yang diproses melalui jaringan saraf, dengan akurasi rekam 95,25% dalam dekoding suara.

Perangkat ini, menurut peneliti, berpotensi mendefinisikan ulang bidang antarmuka ucapan diam (SSI), yang melibatkan solusi mutakhir untuk memungkinkan komunikasi verbal tanpa vokalisasi.

Menggabungkan Graphene dengan Sutra untuk Elektronik Fleksibel

Dalam studi lain, peneliti di Department of Energy’s Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) mengembangkan lapisan 2D seragam “fibroin” atau fragmen protein sutra pada graphene.

Penggunaan protein sutra dalam elektronik desain bukan hal baru, tetapi terbatas karena serat sutra merupakan kusut yang berantakan. Oleh karena itu, penambahan graphene.

Silk‑on‑graphene berpotensi menciptakan transistor yang sangat sensitif dan dapat disetel, sangat diinginkan untuk sensor kesehatan dan wearable. Ia bahkan dapat berfungsi sebagai komponen penting dalam “memristor” yang digunakan dalam jaringan saraf dan memungkinkan komputer meniru cara kerja otak manusia.

Sutra telah menjadi subjek banyak penelitian sebagai cara memodulasi sinyal elektronik, tetapi mengendalikan tidaklah mudah. Jadi, tim PNNL secara hati‑hati mengontrol kondisi reaksi dengan menambahkan serat sutra individu secara tepat ke dalam sistem berbasis air yang menciptakan lapisan 2D protein yang sangat terorganisir, dipaketkan dalam β‑sheet paralel.

Ini hanyalah langkah pertama dalam pelapisan sutra terkontrol pada komponen elektronik fungsional, dengan penelitian masa depan akan fokus pada peningkatan stabilitas dan konduktivitas sirkuit yang terintegrasi sutra.

Implan ‘Tato’ Graphene untuk Mengobati Irama Jantung Tidak Teratur

Sementara itu, peneliti dari University of Texas at Austin (UT) dan Northwestern University mengembangkan implan jantung pertama yang menggunakan graphene untuk mengobati aritmia jantung.

Gangguan semacam itu terjadi ketika jantung berdetak terlalu lambat atau terlalu cepat, dan dalam banyak kasus, dapat menyebabkan stroke, gagal jantung, bahkan kematian mendadak. Untuk mengobati aritmia, dokter biasanya menggunakan pacemaker implan yang mendeteksi detak jantung tidak teratur dan menggunakan stimulasi listrik untuk memperbaiki irama.

Perangkat ini membutuhkan material keras dan kaku yang tidak kompatibel secara mekanik dengan tubuh, sehingga sulit dipasang pada permukaan jantung. Mereka dapat menyebabkan ketidaknyamanan sementara, melukai jaringan lunak, membatasi gerakan alami, dan menimbulkan komplikasi.

Berbeda dengan itu, implan biokompatibel baru yang dibuat adalah “tato” graphene, yang secara penampilan mirip dengan tato sementara. Ia lebih tipis dari satu helai rambut, tetapi berfungsi seperti pacemaker klasik.

Perangkat tipis baru ini melekat lembut pada jantung untuk mendeteksi dan mengobati detak tidak teratur. Ia cukup fleksibel untuk menyesuaikan kontur halus jantung dan cukup kuat untuk menangani gerakan dinamis jantung yang berdetak.

“Untuk alasan biokompatibilitas, graphene sangat menarik. Karbon adalah dasar kehidupan, sehingga merupakan bahan aman yang sudah digunakan dalam berbagai aplikasi klinis. Ia juga fleksibel dan lembut, yang bekerja baik sebagai antarmuka antara elektronik dan organ lunak yang aktif secara mekanik.”

– Penulis senior Igor Efimov

Untuk membungkus tato graphene dan membuatnya menempel pada permukaan jantung yang berdetak, graphene dibungkus dalam membran silikon elastis dengan lubang untuk mengakses elektroda graphene. Selongsong emas setebal 10 mikron kemudian ditempatkan pada lapisan pembungkus sebagai koneksi antara graphene dan elektronik eksternal yang digunakan untuk mengukur dan merangsang jantung.

Ketebalan total perangkat yang dihasilkan sekitar 100 mikrometer, dan ia mempertahankan stabilitas selama 60 hari, sebanding dengan durasi pacemaker sementara.

Untuk menguji perangkat, peneliti menanamkannya pada tikus dan menemukan bahwa ia dapat berhasil mendeteksi irama jantung tidak teratur dan kemudian memberikan stimulasi listrik melalui serangkaian pulsa tanpa memengaruhi gerakan alami jantung.

Secara khusus, teknologi ini transparan secara optik, yang berarti peneliti dapat menggunakan sumber cahaya optik eksternal untuk merekam dan merangsang jantung melalui perangkat. Ini menawarkan pendekatan baru untuk mengidentifikasi dan mengobati penyakit terkait jantung serta menciptakan peluang baru untuk optogenetika.

Even Imperfect Graphene Has Big Benefits

Kurang dari dua tahun yang lalu, peneliti dari Vienna University of Technology sebenarnya mengembangkan model komputer struktur graphene realistis, yang menunjukkan bahwa sifat elektronik luar biasa graphene sangat stabil. Ini berarti bahwa bahkan potongan graphene yang tidak sempurna dapat digunakan untuk aplikasi teknologi.

Jadi, propagasi arus listrik pada graphene dihitung pada skala atom dalam potongan yang sangat kecil. Profesor Florian Libisch dari Institute of Theoretical Physics di TU Wien menjelaskan pada saat itu bahwa elektron memiliki beberapa cara berbeda untuk bergerak melalui material, dan tidak hanya itu, mereka dapat mengambil beberapa jalur secara bersamaan, yang dapat tumpang tindih dengan cara yang berbeda.

Jalur‑jalur tersebut saling meniadakan pada nilai energi yang sangat spesifik, di mana probabilitas elektron melewati potongan graphene sangat rendah dan arus listrik minimal, yang disebut “interferensi destruktif.”

Penurunan dramatis aliran arus pada nilai energi yang sangat spesifik adalah “efek yang sangat diinginkan secara teknologi,” yang dapat digunakan untuk memproses informasi pada skala sangat kecil, mirip dengan komponen elektronik dalam chip komputer, dan untuk pengembangan sensor kuantum baru.

Namun tidak sesederhana itu, karena ukuran dan bentuk potongan graphene tidak selalu sama. Faktor lain seperti atom yang tidak diinginkan, atom yang bergetar, dan banyak interaksi antara beberapa elektron, yang sangat sulit dihitung, perlu dipertimbangkan untuk “menjelaskan material graphene secara benar-benar realistis.”

Jadi, peneliti menggabungkan pengalaman bertahun‑tahun mereka dalam mendeskripsikan secara akurat berbagai efek dalam material pada model komputer untuk mengembangkan model komprehensif yang mencakup semua sumber kesalahan relevan dan efek perturbasi yang ada dalam grafen. Ini memungkinkan mereka menunjukkan bahwa efek yang diinginkan terlihat bahkan ketika ada sumber kesalahan.

Studi ini penting dalam menunjukkan potensi penggunaan efek kuantum pada graphene secara terkendali.

Mengubah Graphene Menjadi Magnet Kecil

Di tengah semua ini, para ahli Jerman menambahkan aspek lain pada sifat beragam graphene yang menunjukkan potensi material ini dalam saklar magnetik dan perangkat penyimpanan.

Peneliti dari University of Duisburg-Essen (UDE) melakukan eksperimen di Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR), di mana mereka menembakkan pulsa terahertz (THz) pendek pada cakram kecil material, yang sangat singkat mengubahnya menjadi magnet yang sangat kuat. Penemuan ini dapat berguna untuk mengembangkan saklar magnetik dan perangkat penyimpanan masa depan.

Jadi, yang dilakukan ilmuwan di sini adalah mereka menggunakan metode semikonduktor yang ada untuk menempatkan ribuan cakram graphene berukuran mikrometer (μm) pada chip kecil, yang kemudian dikenai pulsa terahertz pendek, jenis radiasi yang berada di antara rentang gelombang mikro dan inframerah.

Untuk sumber cahaya, mereka menggunakan laser bebas elektron FELBE di HZDR yang dapat menghasilkan pulsa terahertz ultra‑intens.

Selain cakram graphene berukuran mikrometer yang berubah menjadi elektromagnet, tim bahkan menghasilkan medan magnet dalam kisaran 0,5 Tesla (TSLA ), sekitar 10.000 kali medan magnet Bumi, yang hanya bertahan selama sepuluh pikodetik atau satu‑persepuluh miliar detik.

Untuk mencapai keberhasilan ini, peneliti harus mempolarisasi kilat terahertz dengan cara tertentu. Di sini, optik khusus mengubah arah osilasi radiasi sehingga bergerak secara helicial melalui ruang.

Ketika kilat terpolarisasi melingkar mengenai cakram kecil, elektron bebas di dalamnya mulai berputar, yang pada dasarnya mengubah cakram menjadi elektromagnet kecil.

Proses sederhana dan sangat efisien ini, menurut peneliti, dapat digunakan untuk eksperimen ilmiah guna memperoleh pemahaman yang lebih detail tentang sifat material. Secara khusus, medan magnet tetap unipolar, yang membuatnya menguntungkan untuk eksperimen tertentu.

Di masa depan, magnet kecil ini bahkan dapat menemukan aplikasi dalam teknologi penyimpanan magnetik dan spintronik.

Berinvestasi dalam Graphene

Salah satu perusahaan yang menonjol di sektor graphene adalah CVD Equipment Corporation (CVV ). Perusahaan ini merancang dan memproduksi sistem yang digunakan dalam chemical vapor deposition, teknik kunci untuk menghasilkan graphene berkualitas tinggi. Dan seiring industri terus mengeksplorasi aplikasi dunia nyata untuk graphene, terutama dalam elektronik dan ilmu material, fokus niche CVD dapat memberikannya keunggulan strategis saat permintaan meningkat.

CVD Equipment Corporation (CVV )

CVD Equipment yang berbasis di AS mengembangkan sistem chemical vapor deposition (CVD), yang digunakan untuk menciptakan material canggih seperti graphene, serta pelapisan yang digunakan dalam energi, dirgantara, dan industri lainnya.

Ia juga menawarkan R&D graphene dan peralatan produksi khusus untuk menghasilkan graphene berkualitas tinggi secara skala.

Perusahaan beroperasi melalui dua segmen. Yang pertama adalah CVD Equipment, yang merancang dan memproduksi peralatan transportasi uap fisik, chemical vapor deposition, dan peralatan proses termal. Yang kedua adalah Stainless Design Concepts (SDC), yang fokus pada sistem kontrol gas ultra‑high purity dan pengiriman kimia.

Mengenai kinerja pasar saham CVD, pada saat penulisan, diperdagangkan pada $2,84, turun 34% YTD. Dengan itu, perusahaan mencapai kapitalisasi pasar $20 juta dengan EPS (TTM) -0,28 dan P/E (TTM) -10,43.

Mengenai keuangan perusahaan, CVD melaporkan pendapatan $26,9 juta untuk tahun penuh 2024, peningkatan 11,5% YoY. Ini terutama didorong oleh peningkatan pendapatan dari kontrak dirgantara yang sedang berlangsung, segmen SDC, dan $0,8 juta penjualan akhir oleh segmen MesoScribe, yang menutup operasinya tahun lalu.

Margin laba kotor CVD Equipment naik 2,6% menjadi 23,6% pada 2024. Kerugian operasional untuk periode tersebut sebesar $2,4 juta, dan kerugian bersih $1,9 juta, atau $0,28 per saham dasar dan terdilusi.

Tahun lalu, perusahaan juga melihat peningkatan 8,9% dalam pemesanan baru, yang mencapai $28,1 juta, sementara backlog pada akhir tahun sebesar $19,4 juta.

“Selama 2024 kami terus melihat pemulihan berkelanjutan pasar dirgantara dan pertahanan kami,” kata CEO Manny Lakios sambil mencatat bahwa pasar silikon karbida tetap “menantang karena kelebihan kapasitas dan penurunan harga wafer global.”

Berita Terbaru tentang CVD Equipment Corporation

Kesimpulan

Dikenal karena ringan, fleksibel, kuat, dan memiliki konduktivitas listrik tinggi, graphene telah diteliti secara luas dan digunakan untuk aplikasi di sektor energi, elektronik, dan kesehatan.

Seperti yang kami catat di atas, beberapa perkembangan menarik, seperti kalung ucapan diam dan tato pemantau jantung, terus memperluas dunia graphene. Sekarang, penemuan terbaru efek akordeon pada graphene menambahkan sifat lain: elastisitas yang meningkat, yang menunjukkan kompatibilitas material ajaib ini dengan wearable.

Dikombinasikan dengan sifat listrik, mekanik, dan biokompatibel yang superior, graphene adalah material yang sangat menjanjikan untuk memberi daya pada wearable pintar generasi berikutnya!

Klik di sini untuk mempelajari bagaimana graphene akan memainkan peran penting dalam internet 6G.

Studi yang Dirujuk:

1. Joudi, W., Windisch, R. S., Trentino, A., Propst, D., Madsen, J., Susi, T., Mangler, C., Mustonen, K., Libisch, F., & Kotakoski, J. (2025). Corrugation-dominated mechanical softening of defect-engineered graphene. Physical Review Letters, 134(16), 166102. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.166102

2. Tang, C., Xu, M., Yi, W., Zhang, Y., Wang, J., Li, H., & Zhao, Y. (2024). Ultrasensitive textile strain sensors redefine wearable silent speech interfaces with high machine learning efficiency. NPJ Flexible Electronics, 8, 27. https://doi.org/10.1038/s41528-024-00315-1