Laser-Induced Graphene (LIG) : Terobosan Baru dalam Pembuatan Graphene sebagai Edible Electronics

Oleh: Fauzi Yusupandi

Apa itu Graphene ?

Saat ini, material karbon yang paling banyak diteliti dan diaplikasikan di berbagai bidang adalah graphene. Graphene merupakan material nano yang tersusun atas atom-atom karbon yang membentuk struktur heksagonal seperti sarang lebah dua dimensi. Panjang ikatan karbon pada graphene sekitar 0.142 nm. Ketebalan graphene hanya 0,35 nm yang setara dengan 1/200.000 diameter rambut manusia. Graphene merupakan material yang sangat ringan dengan massa jenis 0,77 mg/m2 tetapi kekuatannya 100 kali lebih kuat dari baja[1].

Gambar 1. Struktur graphene[2]

Metode pembuatan graphene dapat dilakukan dengan banyak cara, namun ada dua metode yang paling umum digunakan yaitu metode Chemical Vapour Deposition (CVD) dan Hummer. Metode CVD menggunakan gas metana (CH4) sebagai bahan baku yang menghasilkan graphene dengan kemurnian karbon 100%[3]. Metode lainnya adalah metode Hummer yang menggunakan grafit sebagai bahan bakunya dengan menambahkan bahan-bahan kimia lainnya seperti asam sulfat (H2SO4), asam posfat (H3PO4) dan kalium permanganat (KMnO4)[4]. Graphene yang dihasilkan menggunakan metode Hummer masih memiliki gugus atom O.

Kedua metode tersebut memiliki beberapa kekurangan. Metode CVD harus beroperasi pada temperatur tinggi (~1000oC) dan membutuhkan logam sebagai media pertumbuhan graphene. Sedangkan metode Hummer harus menggunakan banyak bahan-bahan kimia dan mineral grafit yang ketersediannya terbatas di alam.

Gambar 2. Metode pembuatan graphene dengan (a) CVD[3] (b) Hummer[4]

Pembuatan Graphene Menggunakan Laser

Pada bulan Februari 2018, para peneliti di Rice University memperkenalkan metode baru dalam pembuatan graphene dengan menggunakan laser. Laser yang digunakan adalah pulsed laser CO2 dengan panjang gelombang 10,6 µm dan daya puncak 75 Watt. Laser CO2 biasa digunakan untuk memotong bahan[5]. Dalam penerapannya, teknik laser terbagi menjadi dua yaitu teknik single lasing dan multiple lasing. Teknik single lasing telah dilakukan pada penelitian sebelumnya tetapi teknik tersebut hanya menghasilkan karbon amorf (karbon aktif). Sehingga tim peneliti dari Rice university mencoba menggunakan teknik multiple lasing untuk memperoleh graphene pada permukaan berbagai substrat. Mereka berharap graphene yang dibuat dengan menggunakan laser dapat diaplikasikan sebagai edible electronic.

Edible electronic merupakan perangkat elektronik yang terbuat dari bahan yang biodegradable dan tidak beracun untuk memonitor aktivitas dan kesehatan manusia[6]. Pada metode CVD dan Hummer, graphene yang dihasilkan dikhawatirkan masih mengandung pengotor yang dapat bersifat racun bagi tubuh manusia. Sehingga pembuatan graphene menggunakan laser lebih sesuai untuk aplikasi sebagai edible electronic karena tidak menggunakan bahan kimia tambahan dan sumber bahan baku yang digunakan merupakan material yang biasa dimakan manusia.

Gambar 3. Pembuatan graphene pada permukaan substrat dengan menggunakan laser[5]

Penelitian ini sangat menarik karena graphene dapat dibuat secara langsung pada permukaan substrat. Substrat yang digunakan adalah bahan-bahan yang mengandung gugus karbon seperti roti, tempurung kelapa, kulit kentang, kertas dan kayu. Tempurung kelapa, kulit kentang dan kayu memiliki kandungan lignin yang tinggi sehingga dapat diubah dengan mudah menjadi graphene menggunakan teknik multiple lasing[5]. Selain lignin, bahan yang memiliki kandungan karbohidrat seperti roti pun dapat digunakan sebagai bahan baku pembuatan graphene. Graphene yang dibuat menggunakan laser disebut laser-induced graphene (LIG).

Gambar 4. (a) LIG berbentuk huruf “R” pada permukaan roti panggang. LIG berbentuk burung hantu pada permukaan (b) kayu pinus (c) kertas (d) kardus (e) kain kasa (f) kain kasa yang dilipat pada spidol[5]

 

Hasil Analisa LIG

Pada teknik multiple lasing, ada dua tahapan reaksi untuk mengubah permukaan substrat menjadi LIG. Reaksi pertama adalah mengubah permukaan substrat menjadi karbon amorf secara photothermal. Lalu, pada reaksi tahap kedua, sinar inframerah mengubah karbon amorf menjadi graphene (LIG)[5]. Untuk membuktikan bahwa graphene dapat diperoleh menggunakan teknik multiple lasing, para peneliti menggunakan karbon aktif sebagai bahan uji coba yang divalidasi dengan Spektroskopi Raman. Hasil dari analisa Spektroskopi Raman menunjukkan bahwa graphene dapat dihasilkan menggunakan teknik multiple lasing. Jumlah lapisan graphene diindikasikan oleh puncak pada bilangan gelombang 2800 cm-1.

Gambar 5. Hasil analisa Spektroskopi Raman karbon aktif dengan menggunakan teknik single dan multiple lasing[5]

Teknik multiple lasing dapat dilakukan pada atmosfer ambient dan temperatur ruang. Sedangkan teknik single lasing membutuhkan atmosfer inert yang artinya gas O2 tidak boleh berada di dalam alat proses[5]. Kemudahan yang diberikan teknik multiple lasing berdampak pada konduktivitas dan kapasitansi yang lebih tinggi ketika dibuat menjadi mikrosuperkapasitor. Tim peneliti membandingkan antara LIG yang dibentuk di permukaan tempurung kelapa dengan metode multiple lasing dan LIG yang dibentuk di permukaan polyimide dengan metode single lasing. Hasil yang diperoleh adalah luas kapasitansi LIG tempurung kelapa lebih besar dibandingkan dengan LIG polyimide sehingga LIG yang dibuat menggunakan teknik multiple lasing dapat meningkatkan kapasitansi LIG[5]. Superkapasitor yang memiliki kapasitansi yang tinggi dapat digunakan sebagai perangkat penyimpanan energi.

Gambar 6. (a) Rangkaian mikrosuperkapasitor LIG pada permukaan tempurung kelapa (b) Perbandingan hasil cyclic voltammogram antara mikrosuperkapasitor LIG pada permukaan tempurung kelapa dan polyimide dengan scan rate 10 mV/s[5].

Aplikasi LIG di Masa Depan

Penelitian ini sangat berpotensi menjadikan LIG sebagai edible electronic, radio-frequency identification (RFID) antena dan bahan elektroda pada superkapasitor serta fuel cell[7]. Tour, salah satu dari tim peneliti di Rice University, mengatakan bahwa jika semua bahan makanan memiliki RFID antena berbahan LIG, kita dapat memperoleh informasi darimana bahan makanan tersebut berasal dan sudah berapa lama bahan makanan tersebut disimpan[7]. Tour pun menambahkan bahwa LIG dapat dijadikan sebagai sensor yang dapat mendeteksi E.Coli atau mikroorganisme lain pada semua jenis bahan makanan sehingga kita tidak perlu memakan makanan tersebut[7]. Selain itu, LIG dapat diaplikasikan sebagai edible electronic untuk sistem drug delivery dan sensor aktivitas tubuh manusia. Tour menambahkan bahwa graphene pada LIG ini tidak berperan sebagai tinta yang melapisi material tertentu untuk penerapannya seperti yang telah dilakukan oleh para peneliti di Manchester University[8]. Tetapi, material graphene pada LIG berasal dari bahan baku yang dikonversi secara langsung menjadi LIG sekaligus sebagai objek untuk aplikasinya.

Overview Pembuatan Graphene Menggunakan Laser[9]

 

Referensi

[1] Ni, Z.H., Wang, H.M., Kasim, J., Fan, H.M., Yu, T., Wu, Y.H., Feng, Y.P dan Shen, Z.X. 2007. Graphene thickness determination using reflection and contrast spectroscopy, Nano Letters, 7, 2758-2763

[2] Robert, M.W, C.B Clemons, J.P Wilber, G.W Young, A. Buldum, dan D.D Quinn. 2010. Continuum Plate Theory and Atomistic Modeling to Find the Flexural Rigidity of A Graphene Sheet Interacting with a Substrate. Akron : University of Akron

[3] Al-Shurman, K.M dan Naseem, H. 2014. CVD Graphene Growth Mechanism on Nickel Thin Films. Boston : Proceedings of the 2014 COMSOL

[4] Lin, Feng, Xin T, Yanan W, Jiming B, dan Zhiming M W. 2015. Graphene Oxide Liquid Crystals : Synthesis, Phase Transition, Rheological Property, and Application in Optoelectronics and Display. Chengdu : University of Electronic and Science Technology of China

[5] Chyan, Y., Ye, R., Li, Y., Singh, S.P., Arnusch, C.J dan Tour, J.M. 2018. Laser-Induced Graphene by Multiple Lasing : Toward Electronics on Cloth, Paper and Food. ACS Nano, 12, 2176-2183

[6] Kou, J., Gao, M dan Wang, C. 2014. Edible electronic : A New Trend of Medical Device. Pittsburgh : Carnegie Mellon University

[7] Nicholson, S. 2018. Scientists Use Laser to Burn Graphene Patterns Onto Materials Including Toast. Diakses dari : https://interestingengineering.com/scientists-use-laser-to-burn-graphene-patterns-onto-materials-including-toast pada 6 Mei 2018

[8] Yusupandi, F. 2017. Superkapasitor Fleksibel Berbahan Reduced Graphene Oksida (rGO) pada Pakaian Untuk Memonitor Detak Jantung. Diakses dari : https://warstek.com/2017/12/31/reduced-graphene-oksida/ pada 6 Mei 2018

[9] Rice University. 2018. Graphene on Toast, Cloth, Cardboard Has Tasty Potential. Diakses dari : https://www.youtube.com/watch?v=oaaHLu77pQc#action pada 6 Mei 2018

Artikel Berhubungan:

Sponsor Warstek.com:
Warung Sains Teknologi

Warstek Media

Warung Sains Teknologi (Warstek) adalah media SAINS POPULER yang dibuat untuk seluruh masyarakat Indonesia baik kalangan akademisi, masyarakat sipil, atau industri. Sampai saat ini, sains dan teknologi berkesan ekslusif yang hanya ada di laboratorium dan tidak mampu secara langsung berdampak kepada masyarakat. Akibatnya masyarakat, pemerintah dan industri tidak menjadikan sains sebagai sarana mengatasi permasalahan atau membuat kebijakan. Untuk itu, warstek hadir untuk menjawab tantangan tersebut.

Yuk Ajukan Pertanyaaan atau Komentar