Carbon nanotubes-properties and applications: a review
Khalid Saeed and Ibrahim
Department of Chemistry, University of Malakand, Khyber Pakhtunkhwa,
Pakistan
Review Articles
Carbon Letters Vol. 14, No.3, 131-144 (2013)
Abstrak
Carbon Nanotube (CNT) merupakan satu dari penemuan terunik di lingkup
nanoteknologi. CNT telah dikaji dengan teliti selama dua dekade melalui
beberapa penelitian di dunia disebabkan oleh adanya potensi besar di
berbagai bidang. CNT adalah graphene yang tergulung
berhibibridisasi SP2. Aspek penting dalam CNT adalah sifatnya
ringan, berukuran kecil dengan aspek rasio tinggi, kekuatan tarik baik,
sifat konduksi baik, membuat CNT dapat berfungsi sebagai pengisi pada
berbagai material yang berbeda seperti polimer, permukaan logam dan
keramik. CNT juga berpotensi pada aplikasi di bidang nanoteknologi,
nanomedikal, transistor, aktuator, sensor, membran, dan kapasitor. Terdapat
beberapa tehnik yang digunakan untuk mensintesisCNTs. Termasuk metodearc-discharge, chemical vaporize deposition (CVD),laser-ablation, dan metode sol-gel. CNTs dapat berbentuk single-walled, double-walled dan multi-walled. CNTs
memiliki sifat mekanik, elektrik, dan optik yang unik, semuanya telah
dipelajari secara ekstensif. Dalam revies ini fokus pada sintesis, fungsi,
sifat dan aplikasi CNTs. Racun CNTs juga dipaparkan secara ringkas.
1.
Pendahuluan
Beberapa tahun terakhir ini, banyak penelitian yang berfokus pada
nanoteknologi dan nanokomposit. Para peneliti berfokus pada filler dan memperkenalkannya ke dalam polimer untuk menghasilkan
komposit dengan sifat tertentu. Jika pengisi adalah nanomaterial, maka
komposit akan berbentuk nanokomposit. Nanoteknologi perlahan lahan membawa
perubahan dalam kehidupan sehari hari.
1.1
Nanoteknologi
Kata “nano” berasal dari bahasa Yunani, yang berarti kerdil (kecil); dalam
eksperimen saintis pada level nano (skala atomik) yang dilakukan dengan
instrumen saintis dikenal sebagai nanoteknologi, yang telah dikenal baik
pada tida dekade terakhir. Kata “nanoteknologi” dicetuskan oleh Nario
Taniguchi pada tahun 1974, di Jepang. Dia mengatakan bahwa “Proses
nanoteknologi terdiri dari beberapa tahap antara lain: separasi,
konsolidasi, dan deformasi material oleh satu atom atau satu molekul”.
Nanoteknologi dapat dieksplor secara luas disebabkan karena sifat dan
struktur materialnya.
1.2
Carbon Nanotubes (CNTs)
CNTs, juga disebut dengan buckytubes, adalah molekul karbon
berbentuk silinder dengan sifat yang unik, sehingga berpotensi digunakan
pada berbagai aplikasi yang berbeda. Termasuk pada nanoelektronik, optik,
dan aplikasi material. CNT juga terbukti memiliki sifat termal, mekanik dan
elektrik yang kuat. CNT merupakan family fullerene, yang ditemukan
oleh Kroto pada tahun 1985. Buckyballs adalah fullerene
berbentuk bola, sedangkan CNTs berbentuk silinder, dengan paling sedikit
terdapat satu penutup di ujung berbentuk setengah bola dengan struktur buckyball. Nama CNT ditentukan berdasarkan ukuran, dimana ukuran
diameter nanotube berukuran beberapa nanometer. Iijima yang
pertama mensintesis multi-walled carbon nanotubes (MWNTs) pada
tahun 1991 menggunakan metode arc-evaporation sederhana. Namun,
CNTs ditemukan jauh sebelum penelitian tersebut, yang menggambarkan bahwa
karbon memiliki allotof yang berbeda. Pada tahun 1952, Radushkevich dan
Luckyanovich melaporkan telah menemukan bentuk karbon seperti cacing.
Selama observasinya, CNTs tersebut terbentuk dari dekomposisi karbon
monoksida (CO) pada partikel besi pada suhu 600oC. Pada beberapa
eksperimen, gambar transmission electron microscope (TEM) dan
karakteristik lainnya, penulis menyimpulkan bahwa hasil tersebut terdiri
dari serabut panjang atau karbon kristal berbentuk mie dengan diameter
sekitar 50 nm. Penemuan nanotubes yang secara kebetulan menyebabkan
keberuntungan di bidang nanoteknologi pada saat itu, demikian juga pada
bidang lainnya sebelum dan sesudahnya.
1.3
Struktur CNTs
CNTs, juga dikenal sebagai fullerenes berbentuk tabung yaitu
lembaran grapene yang berbentuk silinder dengan atom karbon
berikatan sp2. CNTs adalah lembaran grapene yang
tergulung membentuk allotrof karbon, termasuk graphite, fullerenes dan CNTs.
1.4
Tipe CNTs
CNTs dapat dibagi menjadi tiga kategori bergantung pada jumlah tabung yang
ada pada CNTs. Yang dideskripsikan berikut ini
1.4.1
Single-walled CNTs
Single-walled CNTs
(SWCNTs) terbuat dari lembaran graphene tunggal dengan diameter
dari 1-2 nm. Panjangnya dapat bervariasi bergantung pada metode preparasi.
1.4.2 Double-walled CNTs
Nanotube
yang terbuat dari dua karbon nanotube konsentris dengan tabung
luar menutupi tabung dalam.
1.4.3 Multi-walled CNTs
MWCNTs terdiri dari banyak lapisan graphene yang tergulung dengan
diameter antara 2 sampai 50 nm bergantung pada jumlah tabung graphene. Tabung ini memiliki jarak antar lapisan sekitar 0.34 nm.
1.4.4 Tipe yang berdasar pada chiralitas
Ciralitas merupakan faktor penting dalam menentukan sifat elektrik CNTs.
Berdasarkan chiralitas terdapat 3 tipe CNTs yaitu chiral, armchair, dan
zigzag.
2.
Sintesis CNT
CNTs dapat dipreparasi menggunakan berbagai metode, seperti metode arc-discharge, Chemical Vapor Deposition (CVD), dan
metode laser ablation.
2.1
Metode Arc-discharge (Pancaran Elektroda)
Pada tahun 1991, Iijima melaporkan keberadaan spesies tabung baru, yang
disebut CNTs. Tabung tersebut dihasilkan melalui metode penguapan pancaran
elektroda yang sama digunakan dalam mensintesis fullerene di masa
lalu. Karbon jarum dengan diameter antara 4 sampai 30 nm dan panjang
mencapai 1 mm ditumbuhkan pada ujung elektroda karbon negatif yang berarti
evaporasi pancaran eletroda karbon pada arus searah di atas bejana berisi
argon (100 Torr). Ebbesen dan Ajayan melaporkan sintesis MWCNTs berskala
besar melalui metode ini.
Pemasangan arc-discharge meliputi dua elektroda tipis dengan
posisi vertikal terpasang di tengah-tengah chamber. Elektroda
rendah (katoda) menerima sepotong kecil besi selama fase evaporasi. Metode arc-discharge dijalankan diantara dua elektroda pada arus DC 200A
bertekanan 20V. Dengan menggunakan tiga komponen, argon, besi, danmethane, dapat digunakan untuk mensintesis SWCNTs. Sintesis nanotube menggunakan metode arc-discharge, telah
dilakukan oleh Bethuna dkk dengan menggunakan elektroda tipis anoda dengan
lubang jenuh yang diisi dengan campuran bubuk logam murni (Fe, Ni dan Co)
dan grafit. Elektroda diuapkan dengan arus yang relatif rendah 95-105 A
bertekanan 100-500 Torr di atmosfer He. CNTs berkuantitas besar dihasilkan
menggunakan metode ini oleh Journet dkk. Percikan dihasilkan diantara dua
grafit elektroda pada reaktor beratmosfer helium (660 mbar).
2.2
Laser ablation
Pada tahun 1996, Thess dkk mengurangi tinggi yield (>70%) CNTs,
dengan cara metode laser ablation dari batang grafit dengan
sedikit Ni dan Co bertemperatur 1200oC.
Metode ini, target grafit dibombardir dengan cahaya laser. Pertumbuhan
tabung terjadi sampai beberapa agregat atom katalis berakhir pada nanotube. Partikel besar lainnya melepaskan atau melapisi beberapa
karbon meracuni katalis. Hal ini memungkinkan tabung berakhir dengan ujung
seperti fullerene atai dengan partikel katalis.
2.3
Chemical vapor deposition
Pada tehnik sintesis diatas, dua masalah utama yang tersisa adalah
realisasi produksi skala besar dan pengaturan sintesis. Namun, pada tahun
1996, CVD ditemukan dapat mensintesis nanotube. Metode ini mampu
mengontrol arah penumbuhan pada substrat dan sintesis nanotube
kuantitas besar. Selama proses ini, campuran gas hidrokarbon, acetylene,
methane atau ethylene dan nitrogen dimasukkan ke dalam chamber
reaksi. Selama reaksi, nanotube terbentuk di atas substrat melalui
dekomposisi hidrokarbon pada temperatur antara 700oC-900oC bertekanan atmosfer. Tehnik ini memiliki dua keutamaan, aitu nanotube dihasilkan pada temperatur rendah, meskipun kualitas
kurang baik, dan katalis dapat dideposisikan diatas substrat, yang
mengizinkan CNTs dapat diadopsi dengan sturktur yang baik.
2.4
Penumbuhan fase uap
Tehnik baru ini dimodifikasi dari CVD. Perbedaan utama yaitu pada sintesis
CNT langsung dari gas reaksi dan logam katalis di dalam chamber
tanpa substrat. Dua furnace ditempatkan didalam chamber
reaksi. Katalis yang digunakan adalah ferrocene. Penguapan karbon
katalis dijaga relatif pada temperatur rendah dalam furnace
pertama. Partikel katalis dibentuk disini dan ketika mereka mencapai furnace kedua dan dekomposisi karbon diserap pada katalis ini
melalui difusi, dimana mereka mengubah menjadi CNTs.
2.5
Metode sintesis Flame
Metode lain adalah metode sintesis flame. Metode ini, memanfaatkan
nyala hidrokarbon. Nyala ini membantu mulai dari awal sampai penumbuhan
CNTs. Gas seperti CO, CH4, C2H2, C 2H4, dan C2H6, yang dihadirkan
pada tempat nyala/api, yang kaya akan sumber karbon. Reaksi eksotermik dan
energi kimia dilepaskan dalam bentuk panas pada penyangga api dengan reaksi
deposisi karbon endotermik. Katalis juga dibutuhkan untuk menghasilkan
reaksi untuk deposisi padatan karbon hitam. Penumbuhan CNTs pada bahan yang
sama dengan CVD. Jika katalis sesuai dengan nyala dan kondisi reaksi yang
dibutuhkan, maka CNTs berskala besar dapat diperoleh secara komersial.
2.6
Trend sintesis CNTs saat ini
Akhir-akhir ini metode nebulized spray pyrolysis telah digunakan
untuk mensintesis MWCNTs. Seprotan nebulisasi, merupakan faktor utama pada
metode ini, yang dihasilkan oleh ultrasonic atomizer tertentu.
MWCNT dengan diameter cukup seragam pada bentuk yang sejajar telah
dihasilkan melalui metode ini. Dengan menggunakanultrasonic nebulizer, ferrocene (katalis) danethanol (pelarut dan sumber karbon) disemprotkan ke dalam tabung furnace pada temperatur tetap 800oC dengan argon
berlaju 1 L/menit. Ethanol digunakan sebagai pelarut sama baiknya dengan
sumber karbon yang disebabkan non-polusi alami, biaya rendah, produk yang
tidak berbahaya (seperti CO) dan mengurangi pemeliharaan. Tingginya
penumbuhan pada MWCNTs pada permukaan dapat dihasilkan. Keuntungan
menggunakan metode semprotan nebulisasi ini adalah meringankan proses skala
industri, reaktan dihasilkan didalam furnace secara terus menerus.
3.
Sifat CNTs
CNTs dilaporkan telah memiliki area permukaan yang tinggi, aspek rasio yang
besar dan kekuatan mekanik yang sangat tinggi. Kekuatan tegangan CNTs 100
kali lebih baik dibanding dengan baja, dan sifat konduktifitas termal
mencapai tembaga. Sifat unik ini membuat CNTs merupakan kandidat terbaik
sebagi pengisi pada polimer dan keramik yang berbeda untuk menghasilkan
CNTs yang sesuai dengan keinginan konsumen. Juga telah diprediksi bahwa CNT
berbasis field-effect transistors (FETs) akan segera menggantikan
silikon mereka berbasis analog yang seimbang. CNTs juga dapat bergabung
menghasilkan sifat elektrik, mekanik, dan termal yang unik.
3.1.
Sifat elektrik CNTs
Sifat elektrik CNTs bergantung pada bentuk chiralnya. Beberapa peneliti
telah membuktikan sifat konduktif yang unik. Hasil ini disebabkan karena
perbedaan geometri seperti cacat, chiralitas, perbedaan diameter dan
derajat kristalisasi pada struktur tabung, sehingga berpengaruh pada sifat
elektronik CNTs. SWCNTs adalah logam dengan resistivitas dengan rentang
dari 0,34 x 10-4 sampai 1,0 x 10-4 ohm.cm. Dengan
mengingat ikatan atom karbon pada CNTs, yang tersusun dengan kisi
hexagonal, setiap atom karbon berikatan kovalen dengan tiga atom karbon
tetangganya melalui molekul orbital sp2. Sehingga, 4 elektron
valensi yang tersisa bebas di setiap unit, dan elektron bebas
terdelokalisasi pada semua atom dan memiliki kontribusi terhadap sifat
elektrik CNTs. Sehingga CNTs dapat memiliki tipe kondusi atau semi-konduksi
bergantung pada tipe chiralitasnya. Semikonduktor SWCNTs biasanya dibentuk
dari semikonduktor tipe p. MWCNTs tersusun dari beberapa tabung SWCNTs dan
oleh karena itu tidak mungkin menjadi konduktor satu dimensi. Pseudo-gap
telah diamati melalui pengukuran I-V, sebagai sifat konduksi murni.
Berdasarkan pembahasan diatas, diperoleh bahwa sifat elektrik SWCNTs dan
MWCNTs relatif baik. Hal ini menarik perhatian sangat besar di berbagai
bidang sejak satu dekade yang lalu. SWCNTs, balistik murni dari transfor
elektron, yang digambarkan sebagai quantum wires. Di sisi lain,
transpor pada MWCNTs ditemukan hampir difusi atau quasi-balistik. CNTs,
dengan sifat elektroniknya dapat digunakan sebagai transistor dan dalam
aplikasi elektronik baru. Aplikasi terbaru dari nanotube adalah
emiter. Aspek penting CNT pada emiter adalah bahwa emisi dapat diperoleh
pada tegangan rendah. CNTs juga dapat digunakan sebagai sensor, chip triodes berskala mikron pada frekuensi tinggi (>200 MHz),
vakum mikroelektronik dan pembangkit sinar-X.
3.2.
Sifat Mekanik CNTs
Dengan mengingat bahwa CNTs merupakan material yang kuat. Beberapa
literatur mengungkapkan bahwa CNTs merupakan material yang sangat kuat,
khususnya yang searah dengan sumbu. Rentang modulus Young’s dari 270 sampai
950 Gpa, namun kekuatan tariknya juga sangat tinggi, dalam rentang 11-63
Gpa. Beberapa penelitian menunjukkan bahwa dalam arah radial, CNTs lebih
lunak. Observasi TEM pertama mengenai elastisitas radial menunjukkan gaya
Vander Waal’s dapat merusak bentuk dari dua nanotube yang
berdekatan. Selanjutnya, indentasi-nano dengan atomic force microscope (ATM) yang dilakukan oleh beberapa
peneliti dengan kelompok yang berbeda melakukan pengukuran elastisitas
radial SWCNTs. Menunjukkan hasil bahwa CNTs sangat lunak pada arah radial.
Elastisitas CNTs karena arah radial sangat penting, khususnya pembentukan
nanokomposit CNT dan sifat mekaniknya, dimana tabung yang tertanam
dikenakan deformasi yang besar pada arah sebaliknya ketika beban
diaplikasikan pada struktur komposit. Karena ikatan karbon-karbon diamati
pada grafit terhadap sifat kekuatannya, CNTs juga sangat berpotensi sebagai
material paling kaku dengan sturktur terkeras bahkan yang disintesis oleh
para saintis. Pengkajian CNTs dengan TEM menujukkan bahwa material
fleksibel dan tidak dapat memutus ikatan. Perhitungan sederhana secara
teori telah dilakukan untuk memprediksi sifat mekanik CNTs. Percobaan
pertama dilakukan oleh Treacy dkk dalam menentukan modulus Young’s untuk
individu MWCNTs, yang mengukur amplutudo vibrasi termal dalam CNTs
menggunakan TEM. Mereka menyatakan bahwa nanotubes memiliki
rata-rata modulus memiliki rata-rata modulus Young’s antara Y=1 – 1,8 Tpa,
yang sangat tinggi dibanding dengan modulus Young’s karbon fiber yang ada
(Y ≥ 800 Gpa). Berbagai kelompok peneliti melakukan pengukuran langsung
mengenai gaya ikatan MWCNTs sebagai fungsi pergeseran pada AFM. Nilai
modulus Young’s ditemukan antara 0,32 sampai 1,47 Tpa. Falvo dkk, melakukan
observasi mengenai MWCNTs yang dapat membelok dengan sudut yang tajam tanpa
mengalami patahan di beberapa struktur menggunakan ujung AFM. Endo dkk,
mengobservasi kerusakan ketika penumbuhan CNTs dengan penguapan dalam
cairan nitrogen, bagian dalam pipa dapat bertahan pada tekanan ini. Zhu
dkk, mengaplikasikan tekanan tinggi (50 Gpa) pada temperatur ruang,
menggunakan lecutan gelombang, seperti MWCNTs dengan arc-discharge
dengan catatan bahwa tabung tidak rusak tetapi ambruk, perubahan kulit
terluar menjadi grapene yang meringkuk ketika inti dalam memperlihatkan
inti yang cacat. Berbagai teori dikerjakan pada sifat mekanik CNTs yang
dilakukan oleh Sinnot dkk, menemukan bahwa SWCNTs memiliki modulus Young’s
yang lebih tinggi dari berlian. Yakobson dan Ru melaporkan mekanisme
transformasi CNT dibawah tegangan uniaxial, terutama cacat
pentagon-heptagon tabung dibawah tegangan tinggi. Guanghua dkk juga
menunjukkan teori bahwa sifat mekanik SWCNTs bergantung pada diameter.
Mereka memperkirakan modulus Young’s nanotubes berdiameter sekitar
1 nm, berada pada rentang 0.6 – 0.7 Tpa. Hernandez dkk juga menentukan
nilai modulus Young’s yang sudah sesuai dengan eksperimen MWCNTs (1-1,2
Tpa). Mereka juga melaporkan bahwa meningkatnya diameter sebanding dengan
peningkatan sifat mekanik dan diameter meningkat dengan nilai tertentu,
modulus Young’s tabung mendekati modulus young grafit. Yu dkk, melakukan
pengukuran modulus Young’s individu SWCNTs, melaporkan nilanya berada pada
rentang 320 sampai 1470 Gpa dan menentukan kekuatan SWCNTs pada lingkaran
setiap pengikat yaitu antara 13 sampai 52 Gpa.
3.3.
Sifat Termal CNTs
Struktur grafit tergulung, sangat berperan pada CNTs dan berpengaruh tidak
hanya sifat elektronik dan mekaniknya tapi juga sifat termal. Meskipun
ukurannya sangat kecil, pentingnya efek kuantum, dan temperatur rendah
khususnya konduktivitas termal dan panas menunjukkan bukti secara langsung
pada kuantisasi 1 dimensi struktur pita fonon pada CNTs. Penggabungan nanotube murni dan yang difungsikan pada material yang berbeda
dapat memiliki konduktivitas termal yang dobel dengan pembebanan hanya 1%,
menunjukkan matrial komposit nanotube dapat digunakan pada
aplikasi termal dalam industri. Kim dkk, melakukan pengukuran konduktivitas
termal pada individu SWCNT dan menemukan menjadi 3.000 W/K (lebih tinggi
dari grafit) pada temperatur ruang. Selain ini mereka juga menetukan nilai
dengan dua susun lebih tinggi dari besar yang ditentukan untuk gumpalan
MWCNTs. Studi yang sama tentang SWCNTs menghasilkan lebih tinggi dari 200
W/Mk untuk SWCNTs. Beberapa faktor yang mempengaruhi sifat termal seperti
jumlah mode fonon aktif, panjang lintasan bebas untuk fonon, dan batas
permukaan hamburan. Sifat ini juga bergantung pada susunan atomik, diameter
dan panjang tabung, jumlah struktur dan morfologi cacat, seperti kehadiran
impuritas pada CNTs.
4.
Penyebaran CNTs
Salah satu masalah yang ditemukan dalam CNTs adalah gumpalan tabung yang
disebabkan oleh lemahnya gaya intermolekul, terutama pada sulitnya
penyebaran pada medium polimerik yang berbeda dan bahkan pada larutan yang
berbeda. Fungsionalisasi CNTs dilakukan untuk mengatasi bentuk gumpalan dan
buntalan, yang juga meningkatkan penyebaran pada material dan larutan
polimetrik. Sehingga, pemurnian atau fungsionalisasi CNTs sangat penting
untuk meningkatkan reaktifitas dan homogenitas penyebaran. Pemurnian
menghilangkan partikel yang tidak diingiknan terhadap sisa setelah proses
sintesis, sedangkan fungsionalisasi diperkenalkan dengan kelompok
fungsional tertentu kedalam rantai atau akhir CNTs. Metode berbeda
digunakan oleh peneliti untuk fungsionalisasi dan penyebaran CNTs. Termasuk
hal berikut:
4.1
Fungsionalisasi Non-Covalent
Tipe fungsionalisasi berbasis pada gaya Van der Waal’s. Selain gaya ini,
juga dilaporkan terdapat gaya hidropobik atau interaksi Pi-Pi.
Fungsionalisasi non-kovalen sangat penting dan menarik karena tidak merusak
atau mengubah struktur CNTs untuk sebuah perluasan yang besar, yang
memberikan sebuah pekembangan yang besar. Selain gaya Van der Waal’s
beberapa gaya lain juga terlibat, yang menyebabkan efisiensi
fungsionalisasi tipe ini. Beberapa contoh umum tipe fungsionalisasi ini
termasuk penggunaan surfaktan, khususnya terhadap SWCNTs, pembalut CNTs dan
interaksi protein non-kovalen.
4.2
Fungsionalisasi Covalent
Fungsionalisasi tipe ini, mengingikan kelompok yang terikat pada sisi
dinding atau ujung CNTs secara permanent dengan cara yang tidak dapat
diubah. Berbagaikelompok bahan kimia seperticarboxylic, p-aminobenzioc acid, flourine, ditambah kelompok dicholo-carbon terikat secara kovalen dengan material polimerik
dan tersebar baik pada larutan berbeda. Kerugian utama pada fungsi kimia
adalah produksi cacat CNTs.
4.3
Penyebaran CNTs menggunakan surfactants
Penggunaan surfaktan juga dilaporkan dengan tujuan penyebaran CNTs dalam
material polimerik. Beberapa surfaktan penting sepertipolyethylene glycol, sodium dodecyl sulfate, dan dodecyl-benzena sodium sulfonate biasanya digunakan untuk
mengurangi kecenderungan gumpalan CNTs dalam air dan larutan lainnya. Telah
dikemukakan bahwa keberadaan cincin benzena bertanggungjawab pada
tingginya efisiensi penyebaran CNTs. Interaksi penumpukan-p pada cincin benzena kedalam permukaan CNTs dipercaya dapat meningkatkan rasio
penyerapan surfaktan. Juga ditentukan bahwa selain kelompok aromatik,
kelompok naphtenic juga memberikan afinitas tabung surfaktan yang
baik.
4.4
Penyebaran secara fisika melalui ultrasonik
Penyebaran secara fisika juga penting untuk menurunkan kecenderungan
penggumpalan CNTs. Sonication menyediakan vibrational tertentu
untuk menggumpalkan CNTs, mengatasi gaya tarik dengan nanomaterial dan
menjadi tersebar dengan pelarut atau material
5.
Aplikasi CNTs
Nanoteknologi merupakan teknologi yang terbaru dan paling berkembang,
menyajikan beberapa keuntungan dan manfaat untuk material terbaru dengan
sifat yang diperbaiki secara signifikan. Nanoteknologi dapat digunakan pada
berbagai bidang dalam aplikasi yang berbeda, termasuk nano-medicine, energi, lingkungan dan sensor. Meskipun bidang
nanoteknologi sangat banyak dan merupakan material terbaru, potensi CNTs
sangat menjanjikan. Sejak ditemukan oleh Iijima pada tahun 1991,
perkembangan nanoteknologi menjadi sangat cepat yang disebabkan karena
banyaknya aplikasi yang dapat digunakan. Berbagai penyimak dan peneliti
berupaya menghasilkan sifat terbaru dan mengembangkan jumlah aplikasi
terbaru di berbagai medan, dari ilmu material, obat-obatan, elektronik dan
penyimpanan energi, dengan beberapa studi yang berfokus pada nanoteknologi
dan penggunaan CNTs sebagai filler. Aplikasi menarik dari CNTs
yang lain adalah dapat digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan
konduktivitas dan kapasitas penyerapan yang tinggi dan untuk menghasilkan
kekuatan komposit yang tinggi, sumber bahan bakar, divais konversi energi,
divais medan emisi, divais penyimpan hidrogen dan divais semikonduktor.
Percobaan air limbah melalui CNTs juga sangat berkembang dan menarik untuk
diteliti. Terkait masalah utama mengenai CNTs adalah tingginya biaya dan
karakteristik tidak terbarukan. Saat ini, upaya dalam mengembangkan metode
preparasi CNTs dengan biaya yang rendah. Beberapa aplikasi CNTs yang sangat
penting dan menjanjikan didiskusikan dibawah ini.
5.1
CNTs sebagai pengisi
Penggunaan CNTs sebagai filler pada material berbeda berbentuk nanokomposit merupakan salah satu yang berkembang pada
nanoteknologi. Beberapa peneliti bekerja pada bidang nanokomposit mencoba
menggunakan CNTs sebagai filler. Ide utama menggabungkan CNTs pada
polimerik berbeda dan material lain adalah untuk memperbaiki sifat
material. Hal yang telah dilakukan adalah memperbaiki sifat mekanik,
elektrik dan termal telah berada pada rentang yang ideal. Garcia-Gutierrez
dkk, melakukan preparasi proses pelelehan yang diijeksikan yang dibentuk
dengan polybutylene terephthalate (PBT)/ nanokomposit SWCNTs dan
menyampaikan bahwa SWCNTs mempengaruhi orientasi polimer selama pencukuran
dan juga contoh sifat kristalisasi PBT. Soichia dkk menemukan bahwa modulus
tarik dan kekuatan yield meningkat dengan bertambahnya pemuatan
SWNT ke dalam SWNTs/polyimide nanocomposite. Dengan penyebaran
yang baik, mereka menunjukkan bahwa sifat mekanik polyimide
meningkat. Bhattacharyya dkk, dilakukan dengan campuran pencairan styrene maleic anhydride (SMA) dienkapsulasi SWCNTs dengan sebuah
matrix dengan polyamide-12 (PA 12) pada extruder sekrup kembar
yang berbentuk kerucut. Proses enkapsulasi melalui SMA copolymer
menyebabkan besarnya penyebaran SWNT dan sehingga meningkatkan adesi
interfacial diantara PA12 dan SMA yang dimodifikasi dengan SWNT. Ini
menyebabkan meningkatnya sifat mekanik yang dihasilkan. Saeed dan Park
mempreparasikan MWNT/nylon nanokomposit melalui in situ bulk polymerization. Mereka menggunakan MWNTs murni
(P-MWNTs) dan MWNTs yang dimurnikan melalui asam untuk memperkuat material
dan studi sifat mekanik, termal, elektrik, dan reologis dan juga morfologi
strukturan dan temperatur kristalisasi melalui berbagai tehnik dan
membandingkan sifat nanokomposit keduanya P-MWNT/nylon dan A-MWNTs/nylon.
Telah disimpulkan bahwa A-MWNTs dapat menyebar dengan baik pada nylon
dibandingkan dengan P-MWNTs yang menyebabkan hadirnya kelompok fungsional
pada A-MWNTs. Temperatur kristalisasi meningkat dengan meningkatnya rasion
MWNT dalam nylon. Prashantha dkk, mempreparasikan MWNTs dan polypropylene
(MWNT/PP) dan MWNTs dan nanokomposit polypropylene-grafted maleic anhydride (MWNT/PP-g-MA) dan
mempelajari sifat reologis, mekanik, dan morfologi nanokomposit dengan
berbagai komposisi MWNTs menggunakan tehnik rentang. Mereka melaporkan
bahwa MWNTs memiliki penyerapan yang lebih baik pada PP-g-MA dibanding
dengan PP, dan dilaporkan bahwa MWNTs dan PP-g-MA memiliki adesi yang baik
dan kekuatan inrfacial yang kuat dibandingkan dengan MWNTs/PP karena
MWNTs/PP-g-MA memiliki sifat mekanik yang tinggi dan memperbaiki ambang
perembesan secara reologis. Zhang dkk, membuat poly (adipic acid-hexamethylene diamine) (PA66) dan F-MWNTs.
Amino-MWNTs telah digunakan dalam proses fabrikasi, dan penyebaran A-MWNTs
telah meningkatkan pembentukan asam (HCOOH) setelah fungsionalisasi PA66.
Material PA66 dicangkokkan kedalam permukaan A-MWNTs. Disimpulkan bahwa
panjang rantai PA menurun dengan bertambahnya A-MWNTs, temperatur
dekomposisi terhadap PA_MWNTs lebh tinggi dari komposit PA66 murni, dan
kekuatan modulus telah diperbaiki dengan penambahan A-MWNTs.
5.2
Divais Elektronik sebagai sumber medan emisi
CNTs dapat juga digunakan dalam divais elektrik sebagai sumber medan emisi.
Hal ini dapat dilakukan ketika diaplikasikan diantara permukaan CNTs dan
anoda. Elektron dengan mudah diemisikan dari ujung yang disebabkan adanya
lengkungan dalam CNTs dalam bentuk pentagon atau disebabkan teroksidasinya
ujung. Dengan prinsip ini, CNTs dapat digunakan untuk pembuatan banyaknya
divais elektronik, termasuk layar datar, sumber cahaya yang kuat, lampu
yang terang, dan sumber sinar-X. Meskipun CNTs merupakan penghasil emisi
yang baik, nanokomposit CNTs juga baik permukaan emisi elektron pada
kondisi vakum. Terdapat beberapa keuntungan ketika menggunakan CNTs sebagai
penghasil emisi elektron. Termasuk komponen yang berlaku seumur hidup,
medan emisi yang stabil padaperiode yang panjang, berpotensi pada ambang
emisi yang rendah, ketiadaan vakum ultra yang tinggi, dan densitas arus
yang tinggi. Telah dilaporkan bahwa densitas arus yang besar, tingginya
mencapai 4 A/cm2.
5.3
Baterai (baterai ion litium)
Litium merupakan unsur yang sangat berguna, memiliki sifat yang unik
disebabkan karena rendahnya elektronegatif dan karena elektron mudah
didonasikan. Sehingga, kandidat terbaik untuk pembuatan baterai yang ringan
dan efisien. Namun, walaupn terdapat beberapa keuntungan tersebut,
reaktifitas Li yang tinggi dapat diterapkan, sebagai logam yang kehilangan
efieiensinya. Masalah ini dapat diselesaikan dengan mengkombinasikan
aplikasi CNTs dan Li melalui penambahan ion Li pada CNTs. Hal ini
memungkinkan ion Li+ berpindah dari grafit anoda ke katoda.
Medium pemisah dibutuhkan antara anoda dan katoda, yang biasanya polyolefin. Secara teori kapasitas penyimpanan Li dikontrol oleh
penambahan Li+ dan laju de-intercalation [110, 111].
Belakangan ini, Frackowiak dan Beguin menunjukkan bahwa CNTs dapat
digunakan pada baterai ion Li. Menurut penulis, kapasitas irreversibel yang tinggi yang memungkinkan penggunaan CNTs.
Meunier dkk, melakukan perhitungan untuk menentukan fenomena charging dan discharging pada baterai Li+.
Mereka menyarankan bahwa rusaknya permukaan material SWNT secara kimia dan
mekanik, merupakan salah satu yang dapat meningkatkan penyimpanan
elektrokimia baterai. Dengan berbagai kemungkinan ini, beberapa perusahaan
elektronik memulai menggunakan karbon nanofiber dan nanotubes sebagai
elektroda dalam baterai Li+ untuk menambah kapasitas muatan dan
waktu pakai.
5.4
CNTs sebagai superkapasitor dan aktuator)
Karena luasnya area permukaan demikian juga konduktivitas elektrik yang
tinggi, CNTs menjadi materail tebaik untuk digunakan sebagai divais
elektrokimia. Niu dkk, dan Ma dkk yang pertama menyatakan bahwa elektroda
secara pirologi menumbuhkan MWNTs, memungkinkan mencapai kapasitansi
spesifik yang sangat tinggi dalam sel individu dalam divais yang tediri
dari 38 % berat H2SO4 elektrolit. Sel dapat mencapai
densitas melebihi 8,000 W/kg. Belakangan ini, studi yang sama dilakukan
oleh Frackowiak dan Beguin dan Ma dkk, yang mendemonstrasikan komposit
MWNT-polypyrrole yang dapat mencapai kapasitansi 163 F/g.
Superkapasitor CNT diaplikasikan untuk divais yang membutuhkan daya tinggi
dan kapasitas penyimpanan yang tinggi. Densitas mencapai 20kW/kg pada
energi densitas 7 Wh/kg. CNT yang tertanam pada superkapasitor dapat
digunakan untuk memberikan asselerasi yang cepat dan tempat penyimpanan
energi secara elektrik untuk elektrik kendaraan. Aktuator merupakan divais
yang penting, tetapi masalahnya terkait pada efisiensi yang menurun seiring
dengan meningkatnya temperatur. Oleh karena itu, aktuator yang dimodifikasi
dengan CNT disiapkan oleh beberapa peneliti. Dilakukan relatif pada
tegangan rendah dan temperatur tinggi 350oC. Sebagai contoh,
tegangan maksimum diobservasi pada aktuator SWNT adalah 26 Mpa. Nilai ini
dibandingkan dengan kekuatan alami, 100 kali lebih besar dari nilai
kekuatan alami.
5.5
Sensor
Sensor adalah divais pendeteksi yang sangat penting, yang sekarang
penggunaan di berbagai bidang. Efisiensi biosensor dan sensor molekuler
dapat meningkat dengan penambahan CNTs didalamnya. Dengan tehnik chemical force microscopy, Wong dkk yang pertama mendemonstrasikan
bahwa memungkinkan untuk pendeteksi fungsi kimia untuk mengikatkan ujung
CNT. Sehingga, memungkinkan untuk membangun berbagai tipe sensor yang
terdiri dari pellet komposit nanotube, yang sangat sensitif
terhadap gas dan yang dapat digunakan untuk memantau puncak pada tanaman
kimia. Collins dkk, melaporkan pekerjaan yang telah dilakukan di bidang
yang sama bahwa SWNTs sangat sensitif terhadap udara dan kondisi vakum yang
dilihat pada tingkat resistansi dengan variasi besar pada sampel SWNT.
Mereka juga menambahkan bahwa MWNTs dapat digunakan sebagai sensor yang
efisien untuk NH3, H2O, CO2 dan CO.
Varghese dkk mendeteksi perubahan tingkat resistansi dan kapasitansi CNTs
pada kondisi yang sedikit modifikasi. Pada tahun 2002, sensor dengan
sensitifitas tinggi dan sensor microwave-resonant dengan respon
yang cepat dipreparasi untuk mendeteksi NH3 menggunakan SWNTs
atau MWNTs. Sebagai tambahan pendeteksi gas, CNTs dan kompositnya dapat
digunakan sebagai sensor tegangan yang sensitif terhadap lingkungan. Wood
dan Wagner mencatat bahwa CNTs sangat sensitif terhadap pencelupan cairan
atau proses penanaman polimer, sebagai nanotube yang dibentuk
dengan sedikit media cairan yang berbeda.
5.6
Penyimpan gas dan hidrogen
Disebabkan oleh adanya silinder yang berongga, CNTs dapat bertindak sebagai
kontainer logam dan gas yang efisien. Telah ditemukan beberapa bahan kimia
penting, seperti logam, logam karbida, dan oxida, dapat diperkenalkan pada
inti CNT melalui metode yang berbeda, termasuk percobaan kimia, metode arc-discharge, reaksi zat padat dan tehnik elektrokimia. Namun,
masalah utama yang berkaitan dengan tehnik yang dihubungkan denganfakta
bahwa CNTs tidak dapat dienkapsulasi pada bahan gas. Studi akhir-akhir ini
mengungkapkan bahwa H2 dan Ar dapat tersimpan berturut-turut
pada SWNTs dan MWNTs. Terrones dkk, mendemosntrasikan eksperimen yang
memungkinkan memperkenalkan gas nitrogen pada MWNTs menggunakan proses
tahap tunggal. Mereka juga melaporkan bahwa MWNTs dapat diisi melalui
semprotan pirolisis ferrocene dan larutan benzyl amine.
Penelitian yang sama dilakukan oleh Trasobares dkk, tetapi mereka
menggunakan bubuk pirolisis ferrocene dan camphor dibawah
atmosfer ammonia. Penyimpanan bahan kimia berbeda dalam CNTs
bermanfaat dalam pembuatan sel bahan bakar yang digunakan terutama untuk
daya kendaraan listrik. Sayangnya, terdapat beberapa kontroversi mengenai
penyimpanan hidrogen bertekanan tinggi. Perlu ditekankan bahwa kapasitas
penyimpanan hidrogen pada CNTs berada pada rentang 0.1 sampai 66 wt %.
Hirscher dkk, membuktikan pengaruh impuritas terhadap hasil yang dilaporkan
sebelumnya menyerap sampai 7%. Berdasarkan tinjauan teori, density functional theory yang digunakan untuk menghitung
kapasitas penyimpanan hidrogen pada CNTs. Mekanisme berbeda dimana CNTs
memungkinkan menyerap molekul hidrogen, termasuk penyerapan kimia,
penyerapan interstisi dan pembengkakan susunan nanotube.
Situasi diatas jelas menunjukkan bahwa CNTs tidak dapat menjadi material
terbaik untuk penyimpanan hidrogen, tetapi eksperimen tambahan dan
perhitungan selanjutnya seharusnya dapat mengklarifikasi hal tersebut.
Penyerapan gas lain seperti He, NH3, N2 dan SF 6 dalam CNT sebagai buih karbon, yang akhir-akhir ini telah
diteliti oleh Tanaka dkk.
5.7
Scan ujung jarum
Scan ujung jarum sangat penting untuk menentukan gambar dengan resolusi
yang tinggi. Jika MWNT diikatkan pada scanning, maka menghasilkan
gambar dengan resolusi yang lebih baik dibanding scanning normal.
Sekarang ini, Seiko Instruments and Daiken Chemical Company
mencoba mengkomersialkan scanning tersebut. Modifikasi ujung nanotube secara kimia dapat digunakan sebagai sensor untuk
mendeteksi zat kimia tertentu dan/atau grup secara biologi. Sensor ini
penting untuk mendeteksi tambahan atau keberadaan zat illegal. Kim dan
Lieber menentukan secara eksperimen kemungkinan pembuatan jepitannanotube melalui penempelan dua nanotube pada ujung scanning. Alat nano ini dijalankan melalui interaksi elektrostatik
antara dua karbon silinder. Pencapaian ini jelas menunjukkan kemajuan pada nanotube dalam teknologi, dan jelas bahwa masa depan yang tidak
lama lagi, kemajuan selanjutnya akan terus dicapai.
5.8
Divais elektronik menggunakan CNTs
CNTs adalah nanomaterial penting yang dapat digunakan dalam divais
elektonik untuk memperbaiki sifat divais. Tans dkk, membuat terminal tiga
yang dapat digantikan dengan SWNTs. Molekul SWNT adalah semikondukting dan
dihubungkan dengan logam nanoelektroda. Hasil pada kapasitansi rendah
sangat baik. Masalah utama yang terkait dengan nanotube adalah
sulitnya manipulasi, sehingga metode lainnya diperlukan untuk merancang
pengontrolan panjang dan sifat elektronik nanotube individu
melalui nanostruktur STM. Postma dkk, mendeskripsikan persilangan dan
lekukan SWNTs dapat dihasilkan melalui AFM. Tehnik ini memungkinkan untuk
memotong nanotubemenjadi pendek menggunakan pengontrol tegangan
yang diaplikasikan pada ujung STM dan untuk membuat divais nanotube kecil yang dapat digunakan untuk konstruksi mesin
molekuler, arus berskala nano dan material nanoelektrik lainnya. Terdapat
beberapa contoh eksperimen yang mengindikasikan bahwa CNTs dapat membawa
arus densitas sebesar 109 A/cm2, nilai ini lebih
rendah dari logam (105 A/cm2). Bachtold dkk, dan
Huang dkk mendemonstrasikan pertama kali pembuatan transistor field-effect memperlihatkan keuntungan yang besar, rasio on-off
yang besar dan pengoperasian temperatur ruang. Penelitian menunjukkan bahwa
arus transistor satu, dua dan tiga memiliki rentang operasi digital yang
logik. Contohnya temasuk inverter, logik NOR, statis random-acces memory cell, dan osilator cincin AC. Kelompok
Harvard melakukan cara yang sama untuk menghasilkan nanowired p-n junction
yang bersilangan dan susunan junction yang dikonfigurasi melalui kunci
struktur pintu logik OR atau NOR, yang menunjukkan substansi yang besar.
Mereka juga menggunakan untuk pengembangan tehnologi komputer terbaru di
masa yang akan datang. Derycke dkk, mendemonstrasikan bahwa CNTs dapat
digunakan sebagai FET. Peneliti juga menunjukkan CNTs murni yang memiliki
sifat seperti transistor tipe-p, dimana nanotube didoping dengan
divais tipe-n. Kedua tipe ini dapat diintegrasikan untuk membuat inverter
tegangan. Jaavey dkk mendemostrasikan bahwa adanya kemungkinan untuk
menghasilkan cincin logik seperti pintu logik NOR atau OR menggunakan
susunan FETs nanotube tipe-p dan -n, yang sulit untuk mengontrol
chiralitas tabung dengan sifat elektronik. Ollins dkk, menyatakan bahwa
adanya kemungkinan untuk mengupas lapisan terluarMWNTs yang dihasilkan dari arc discharge sampai menghasilkan sifat elektronik yang
diinginkan. Namun, penumbuhan yang dikontrol untuk mencapai chiralitas yang
diinginkan akan diinvestigasi dan dieksplorasi untuk aplikasi elektrik yang
lebih. Blase dkk, juga melakukan hipotesis yang sama dan mendemonstrasikan
sifat elektronik CNT yang dapat dimanfaatkan dengan material polimerik
untuk mewujudkan aplikasi elektrik yang diinginkan.
5.9
Aplikasi CNTs di bidang medis
Memberikan keuntungan yang meningkat terkait dengan teknologi ilmu
pengobatan yang berhubungan dengan terapi gen, perlakuan kanker, inovasi
baru untuk penyakit yang mengancam kehidupan, ilmu nanomedicine
yang berkembang dengan cepat. Sifat unik dan karakteristik CNTs
memungkinkan secara sains untuk mengembangkan wilayah baru dalam nanomedicine. SWNTs dan MWNTs telah terbukti berpotensi untuk
menjadi alternatif yang tepat dan efektif dari metode pengiriman obat
sebelumnya. Mereka dapat melalui membran, membawa pengobatan terapeutik,
vaksin, dan asam nukleus mendalam sampai ke target substrat. Mereka menjadi
kendaraan ideal tanpa racun, dimana pada beberapa kasus, meningkatnya
kelarutan obat, menghasilkan efisiensi yang tinggi dan aman. Secara
keseluruhan, studi akhir-akhir ini tentang CNTs menunjukkan pengobatan yang
sangat menjanjikan.
6.
Racun pada CNTs dan cara mengontrolnya
Disebabkan karena sifat fisika dan kimia yang luar biasa dari CNTs,
pemakaiannya dalam industri telah sangat serius, tetapi masalah yang
terjadi pada penggunaannya, khususnya masalah pada racun. CNTs dapat
merugikan pada kesehatan manusia, khususnya paru-paru manusia, yang berada
pada jalur terbuka. Banyaknya perhatian dari peneliti mengenai hal ini.
Sehingga, merupakan tahap pasti yang harus diminimalkan adalah mengenai
racun CNTs. Studi akhir-akhir ini menunjukkan bahwa panjang dan kekakuan nanotube CNTs sangat berpengaruh terhadap pro-perangsangan akibat
CNTs. Namun, peneliti selanjutnya menentukan pengaruh yang mungkin dari
sifat physiochemical yang lain. Karakteristik permukaan
mempengaruhi pro-perangsangan akibat nanopartikel berbentuk bola, dapat
diharapkan untuk menggabungkan CNTs dalam material polimerik yang akan
memodifikasi sifat permukaan CNTs, dimana dapat mengubah racun tanpa
mempengaruhi sifat dan potensial untuk digunakan dalam aplikasi
selanjutnya.
Tidak ada komentar:
Posting Komentar