Selulosa Nanokristalin: Material Alam Serbaguna di Masa Depan

SELULOSA ALAM

Gambar Struktur selulosa. Sumber: (Nishiyama et al. 2002)

Selulosa merupakan material alam yang sangat melimpah keberadaannya, ia merupakan senyawa organik yang paling umum di tumbuhan dan memiliki peran penting dalam mempertahankan kokohnya batang tumbuhan dengan bersenyawa dengan material lain seperti lignin & hemiselulosa. Tidak hanya ada ditumbuhan, selulosa juga dapat ditemukan pada jamur, bakteri, dan beberapa tunicata. Hasil sampingan dari pertanian seperti jerami, tongkol jagung, serbuk kayu, kapas dan tandan kosong kelapa sawit juga dapat digunakan sebagai sumber utama  dari selulosa untuk industri.

Selulosa merupakan polimer alam yang berserat dan linier yang terdiri dari monomer (molekul sederhana) glukosa yang memiliki ikatan β-1,4-glukosa dengan derajat polimerisasi antara 10.000 sampai 15.000 unit tergantung darimana ia diperoleh (Sjostrom 1993).

SELULOSA NANOKRISTALIN

Selulosa nanokristalin merupakan produk dari selulosa yang banyak diteliti akhir-akhir ini karena sifat mekanis dan kimiawi dari nanoselulosa kristalin yang banyak dimanfaatkan untuk berbagai aplikasi. Nanoselulosa kristalin diproduksi dengan cara  mengurai dan memisahkan bagian kristalin dari selulosa alami. Berikut adalah gambar tahap pemisahan nanoselulosa kristalin dari selulosa.

Selulosa nanokristalin memiliki lebar 5-7 nm(nanometer) dan 100 nm sampai beberapa mikrometer dan memiliki karakteristik yang berguna dibandingkan bentuk selulosanya, yaitu; area permukaan yang luas, specific strength, dan sifat optisnya (Peng et al. 2011). Karena sifat alaminya yang biokompatible dan biodegradable menjadikannya material yang ideal untuk diteliti dan dikembangkan.

APLIKASI DARI SELULOSA NANOKRISTALIN

Selulosa adalah material yang kompatibel, non toksik dan stabil di alam, meskipun selulosa dalam ukuran nano, sifat alamiahnya tetap dipertahankan. Disamping sifat selulosiknya ia memiliki sifat optis dan mekanis yang unik, sifat reologi yang lebih baik,kristalinitas, pensejajaran dan orientasi molekulnya. Karena itu selulosa nanokristalin dapat diaplikasikan diberbagai sektor, seperti industri makanan dan minuman, kesehatan kosmetik dan elektronik.

BIDANG MEDIS

SEBAGAI BIOIMAGING DAN BIOSENSOR

Dalam bidang medis dapat digunakan sebagai pembawa obat (carier for drug delivery). penggunaan obat yang dosisnya terkontrol dan tertarget dapat digunakan dengan selulosa nanokristalin karena obat akan terikat ke permukaan selulosa. Bentuk umum dari pembawa obat yang berbasi selulosa nanokristalin adalah microspheres, hidrogel, dan membran(film) (Lin & Dusfresne 2014) . Aplikasi lain selulosa nanokristalin adalah bioimaging dan biosensor dimana selulosa nanokristalin memiliki biokompatibilitas pada permukaan tranducer yang membuatnya berguna sebagai sensor.

IMOBILISASI ENZIM DAN ANTIMIKROBA

Selulosa alami memiliki bentuk yang tak berpori (non porous) dan luas permukaan yang besar sehingga sangat cocok digunakan sebagai imobilisasi enzim. Sebagai contoh siklo dekstrin glikosil transferas( CGTase) dan alkohol oksidase dapat di imobilisasi pada selulosa nanokristalin dengan muatan kapasitas enzim (enzyme loading capacity) yang tinggi. Aktivitas yang dihasilkan dan muatan CGTase adalah 70% dan 165mg/g ketika selulosa nanokristalin digunakan sebagai matriks untuk imobilisasi (Dalli et al. 2018). Pada penelitian sebelumnya Drogat et al. (2011) menggunakan nanokristalin selulosa dengan logam Ag dimana terbentuk suspensi koloid Ag-selulosa yang menunjukkan aktivitas untuk menghambat E.coli dan S.Aureus, Namun efek toksisitas penggunaan jangka panjang dari logam Ag masih di teliti.

PENERAPAN LAINNYA

Penerapan nanoselulosa kristalin di bidang lain juga dilakukan. Sebagai pigmen warna dan agen pembanding biomolekular NMR juga telah diteliti (Fleming et al. 2001; Peng et al. 2011). Telah digunakan juga sebagai sebagai agen penguat dari polimer elektrolit berketebalan rendah pada baterai Litium oleh beberapa peneliti. Penelitian saya juga menggunakan selulosa nanokristalin yang ditambahkan pada larutan supramolekular untuk diproduksi sebagai membran polimer elektrolit fuel cell yang menghasilkan konduktivitas cukup tinggi 5 x10-2 S/cm. berikut adalah gambar dari beberapa aplikasi selulosa nano kristalin diberbagai sektor.

Gambar berbagai macam penerapan selulosa nanokristalin. Sumber : (Dalli et al. 2018).

Tidak hanya keberadaannya yang melimpah di alam, sifat sifat kimia dan fisik dari  selulosa tersebut memungkinkan penerapannya yang lebih luas dimasa depan.

Referensi

  • Dalli, Sai Swaroop; Uprety, Bijaya Kumar; Samavi, Mahdieh; Singh, Radhika; Rakshit, Sudip Kumar (2018): Nanocrystalline Cellulose: Production and Applications. In : Exploring the Realms of Nature for Nanosynthesis: Springer, pp. 385–405.
  • Nishiyama, Yoshiharu; Langan, Paul; Chanzy, Henri (2002): Crystal Structure and Hydrogen-Bonding System in Cellulose from Synchrotron X-ray and Neutron Fiber Diffraction. In Journal of the American Chemical Society 124 (31), pp. 9074–9082. DOI: 10.1021/ja0257319.
  • Peng, B. L; Dhar, N.; Liu, H. L.; Tam, K. C. (2011): Chemistry and applications of nanocrystalline cellulose and its derivatives: a nanotechnology perspective. In The Canadian Journal of Chemical Engineering 89 (5), pp. 1191–1206.
  • Lin N, Dufresne A (2014) Nanocellulose in biomedicine: current status and future prospect. Eur Polym J 59:302–325
  • Sjostrom E (1993) Wood chemistry: funda mentals and applications. Academic Press, San Diego, CA
  • Drogat N, Granet R, Sol V, Memmi A, Saad N, Klein Koerkamp C, Bressollier P, Krausz P(2011) Antimicrobial silver nanoparticles generated on cellulose nanocrystals. J Nanopart Res
    13:1557–1562
  • Fleming K, Gray DG, Matthews S (2001) Cellulose crystallites. Chem Eur J 7:1831–1836

Apa yang Harus Dilakukan jika Terpapar Zat Kimia di Laboratorium ?

Apa yang Harus Dilakukan jika Terpapar Zat Kimia di Laboratorium ?

Sebelum memasuki laboratorium Kimia atau Biologi kita harus memahami apa saja yang menjadi peraturan yang ditetapkan dilaboratorium. Biasanya setiap laboratorium kimia memiliki aturan sendiri (ada juga yang sama) dan setiap praktikan harus memiliki pengetahuan tentang sifat dasar dari zat kimia yang akan digunakan selama praktikum.

Bagaimana jika kulit kita terkena asam lemah/kuat, basa lemah/kuat atau larutan oksidator/reduktor yang bisa membuat kulit iritasi bahkan bisa menyebabkan luka? Lalu apa yang harus dilakukan jika tersentuh padatan yang reaktif? Nah artikel ini akan menjawabnya.

Gambar tumpahan zat kimia. Sumber :1

Berikut adalah kaidah dasar keselamatan di laboratorium

1. MENCEGAH KONTAK DARI BAHAN KIMIA

Sebelum memasuki lab, praktikan harus memakai alat perlindungan diri (APD) yang berupa ; Jas laboratorium, sepatu keselamatan, kaca mata pelindung (direct or indirect vented goggle), masker dan sarung tangan. Ada juga lab yang melarang praktikan menggukan perhiasan dan handphone selama bekerja.

2. MERESPONS TERHADAP PAPARAN BAHAN KIMIA

Berikut adalah nasihat yang umum yang diberikan jika terkena zat kimia dilaboratorium yang dikutip dari Safety in Academic Chemistry Laboratories 2

  • Untuk tumpahan dan percikan yang hanya mengenai sedikit permukaan kulit, harus dibilas dengan air yang terus mengalir selama 15 menit (30 menit untuk basa) dan praktikan harus melepas perhiasan (cincin, gelang) untuk mengantisipasi adanya residu zat kimia yang tersisa. Inilah alasan mengapa perhiasan dilarang pada beberapa laboratorium, lalu cuci bagia kulit yang terkena dengan sabun dan air hangat dan minta asisten lab untuk melihat safety data sheet untuk memastikan apakah ada efek selanjutnya.
  • Jika praktikan menumpahkan padatan kimia, sangat disarankan untuk menyikat (brush) padatan terlebih dahulu dari kulit sebelum membilasnya dengan air mengalir dan sabun, karena padatan tertentu sangat reaktif jika terkena air, seperti NaOH yang reaksinya eksotermis.
  • Jika terkena asam, jangan menambahkan basa atau zat penetral (natrium bikarbonat) pada kulit yang terpapar karena panas dari reaksi netralisasi dapat menyebabkan cedera.
  • Jika kulit dan baju praktikan terkena kontaminasi tumpahan larutan kimia yang cukup banyak, praktikan harus segera pergi ke safety shower dengan melepas seragam yang terkontaminasi dan membasahi tubuh terus menerus dengan air selama 15 menit( 30 menit untuk basa). lalu pergilah ke fasilitas medis terdekat.
  • Jika mata praktikan terkena percikan larutan langsung pergi ke eyewash station (wastafel) dan menyiram mata terus menerus dengan air selama 15 menit (30 menit untuk larutan basa) sambil menahan kelopak mata tetap terbuka dengan jari dan gerakkan bola mata ke atas bawah dan kesamping.
  • Treatment jika terpapar hidrogen flourida (HF); paparan HF sangatlah berbahaya dan memerlukan perlakuan dan penanganan khusus. Gel kalsium glukonat selalu digunakan sebagai pertolongan pertama untuk kontaminasi dari HF, lalu pergilah ke fasilitas medis terdekat untuk penanganan lebih lanjut. Jangan pernah menggunakan HF tanpa latihan khusus dan pengawasan.

MENCEGAH DAN MENANGANI TUMPAHAN BAHAN KIMIA

Gambar gelas reagen yang pecah. Sumber : 3

Mencegah tumpahan zat kimia

Tumpahan larutan reagen kimia merupakan insiden paling umum terjadi di laboratorium kimia. Maka dari itu diperlukan keterampilan bekerja (good house keeping habits) yang baik untuk bekerja di laboratorium. Jauhkan botol reagen kimia dari pinggir meja kerja dan simpan di lemari reagen yang sudah disiapkan. Praktikan dianjurkan untuk mengambil kuantitas bahan yang hanya diperlukan sesuai prosedur praktikum dan tidak mengambil reagen berlebihan, selalu berjalan pelan dan teliti ketika sedang berkerja dilaboratorium agar tidak menyenggol reagen dan praktikan lain yang sedang bekerja.

Menangani Tumpahan zat kimia

Jika seorang praktikan menumpahkan larutan kimia didekat anda, jauhkan praktikan lainnya dari tumpahan reagen. Jika larutan tersebut flammable (mudah terbakar), maka peringatkan praktikan lainnya untuk mematikan alat-alat elektronik dan memadamkan api jika terjadi percikan. Jika terjadi tumpahan dilemari asam, tutup jendela lemari agar uap larutan tertarik keluar ruangan. Apabila jumlah zat toksik, flammable dan material yang volatil sangat banyak disarankan untuk mengosongkan ruangan dan menunggu penanganan oleh ahlinya. Untuk mengambil pecahan kaca gelas jangan memakai tangan, gunakan tongs atau penjepit cawan agar tangan tidak terkena kontaminasi zat yang mengisi wadah yang pecah sebelumnya. Jika larutan asam atau basa yang tumpah biasanya digunakan larutan penetral, tetapi tetap harus berhati hati karena reaksi netralisasi sangatlah reaktif dan eksotermis apalagi jika larutan yang tumpah sangat banyak, netralkan asam dengan sodium bikarbonat atau soda ash dan larutan basa dengan asam sitrat dan askorbat. gunakan pH indikator untuk melihat apakah larutan sudah ternetralkan.

Mengontrol tumpahan reagen dengan membuat pembatas agar tidak menyebar juga sebagai tindakan pertama. Menggunakan material absorben seperti vermiculite, cat litter atau spill pillows juga efektif menyerap tumpahan dengan catatan asam sulfat dan asam klorida pekat dibutuhakan absorben khusus. Untuk kasus tumpahan, merkuri paparan utama terjadi jika uap merkuri terhirup dan penanganan terbaik adalah  menggunakan vacuum cleaner khusus merkuri, jangan gunakan vacuum cleaner untuk penghisap debu karena haya akan mengkontaminasi vacuum cleaner anda. Jika tidak tersedia, gunakan alat penghisap yang sesuai untuk membersihkan tetesan merkuri lalu gunakan absorbent khusus untuk menjadikan merkuri senyawa amalgam yang kurang toksik4.

Referensi

(1) Ekkaruk Dongpuyow. Stock Photo – 3D model of green liquid spilled from glass test tube on chemical diagram to present about experiment failed. https://​www.123rf.com​/​profile_​mrdoggs.

(2) American Chemical Society. Safety in Academic Chemistry Laboratories, 8th ed.; American Chemical Society: United States of America, 2017.

(3) ENWARE. FASTACT HAZARDOUS CHEMICAL SPILL RESPONSE SYSTEMS: BREAKTHROUGH RAPID NEUTRALISER OF HAZARDOUS CHEMICAL SPILLS AND VAPOURS. https://​www.enware.com.au​/​featured-​articles/​oras-​hygienic-​no-​touch-​tapware-​1/​.

(4) American Chemical Society. Guide for Chemical Spill Response Planning in Laboratories: Special Precautions. https://​www.acs.org​/​content/​acs/​en/​about/​governance/​committees/​chemicalsafety/​publications/​guide-​for-​chemical-​spill-​response.html.

HERMANN STAUDINGER : Bapak Kimia Polimer Dunia

Mungkin bagi sebagian mahasiswa kimia yang mempelajari kimia organik dan kimia polimer tidak asing dengan nama ilmuwan satu ini, Ia adalah Pionir berdirinya cabang ilmu kimia yang baru, yaitu Kimia Polimer. Ilmu ini mempelajari molekul molekul kompleks (polimer) yang tersusun dari unit berulang yang disebut monomer. Dengan menggabungkan dan menciptakan material yang berguna dengan memanipulasi struktur dan komposisi dari monomer untuk menghasilkan berbagai macam produk yang kita gunakan sehari hari, seperti plastik, komponen elektronik, perekat, coating, dan obat obatan.

Herman Staudinger ilmuwan jerman. 1

Herman Staudinger, Lahir di worm, jerman 23 maret 1881 adalah ahli kimia jerman yang memenangkan nobel kimia pada tahun 1953 atas karyanya yang mendemonstrasikan keberadaan makromolekul (molekul besar) yang kemudian ia sebut polimer. Staudinger belajar kimia di Universitas Halle, Darmstad dan Universitas Ludwig miximilian. Ia menerima gelar Ph.D dari Universitas Halle pada tahun 1903.

Baca juga: Polimer Sintetik untuk Medis: Hidrogel Film Polietilena Oksida Termodifikasi Bahan Adiktif Untuk Aplikasi Pembalut Luka

Memulai karirnya sebagai dosen dibawah arahan profesor Thiele di universitas Strasbourg pada musim semi tahun 1907, dan pada tahun ini pula ia ditunjuk sebagai asisten profesor kimia organik di Technische Hochschule di Karlsruhe. Dikampus inilah staudinger banyak mengisolasi senyawa organik (termasuk aroma kopi sintetis) dan menemukan senyawa ketena, yang merupakan senyawa perantara (intermediate) untuk mensintesis penisilin dan amoksilin yang saat itu belum ditemukan.

Staudinger menikah dengan seorang botanis asal latvia yang juga merupakan co-worker dan co-authornya, Magda Woit. Tak hanya pintar sebagai peneliti, Staudinger juga merupakan guru yang hebat, dimana ia memiliki dua siswanya yang juga meraih penghargaan nobel  Leopold Ružička and Tadeus Reichstein. disamping menghasilkan banyak buku, staudinger juga menerbitkan banyak jurnal kimia mengenai ketena, oxoalil klorida, autoksidasi, senyawa diazo alifatik, insektisida, dan sintesis aroma kopi dan lada. Sejak 1920 ia telah menghasilkan sekitar 500 jurnal mengenai senyawa makromolekul 2.

HASIL PENELITIAN

Penelitiannya tentang polimer dimulai dengan mensintesis senyawa isoprena pada tahun 1910, yang merupakan monomer dari karet alam. Pada masa itu pemahaman ilmuwan kimia menganggap karet alam dan material polimer lainnya hanya terdiri dari molekul molekul yang tergabung bersama oleh valensi sekunder atau gaya lain. Lalu pada tahun 1922 staudinger bersama J. Fritschi mengusulkan bahwa polimer adalah molekul-molekul raksasa (makromolekul) yang terikat secara kovalen biasa, namun konsep tersebut banyak mendapat perlawanan dari otoritas dan kimiawan pada masa itu.

Sepanjang tahun 1920 penelitian-penelitian staudinger yang lainnya menunjukkan bahwa molekul molekul kecil membentuk rantai yang panjang, yang strukturnya seperti rantai yang terikat oleh interaksi kimia dan bukan dari agregasi secara fisik.

Gambar  rantai dari penjepit kertas yang dianalogikan sebagai senyawa polimer yang terikat dari kepala ke ekor monomer (penjepit kertas)3

Staudinger menunjukkan bahwa molekul-molekul yang linier tersebut dapat dibuat dengan berbagai macam proses dimana ia dapat mempertahankan identitasnya sebagai senyawa polimer, bahkan setelah diberi perlakuan modifikasi secara kimia. Penjabaran staudinger mengenai sifat-sifat senyawa dengan berat molekul tinggi yang ia sebut makromolekul membuka jalan untuk lahirnya bidang kimia polimer 4. Reaksi staudinger merupakan hasil karya dari penelitiannya yang dinamai dengan namanya sendiri dimana suatu senyawa azida bereaksi dengan phophin atau phospit dan menghasilkan senyawa iminophosphorane R3P + R’N3 → R3P=NR’ + N2 5.

Kontribusi

Banyak hasil dari pekerjaan staudinger membentuk dasar dasar ilmu kimia polimer dan sangat banyak berkontribusi terhadap dunia industri plastik, elektronik, pakaian, dan industri obat obat obatan yang sekarang banyak menggunakan senyawa polimer sebagai bahan industrinya. Sepertinya sangat layak para ahli kimia menobatkan beliau sebagai bapak kimia polimer dunia yang awalnya di tentang dan dicemoohin oleh rekan ilmuwan yang lainnya sampai ia bisa membuktikan keberadaan senyawa polimer yang terikat oleh monomer berulang (repeating unit) secara kovalen. Pada tahun 1999 american chemical society dan  Gesellschaft Deutscher Chemiker mengabadikan pekerjaan dan hasil karya staudinger dalam international historic chemical landmark.

Referensi:

(1) The Editors of Encyclopaedia Britannica. Hermann Staudinger. https://​www.britannica.com​/​biography/​Hermann-​Staudinger.

(2) Nobel Prize.org. Hermann Staudinger Biographical. https://​www.nobelprize.org​/​prizes/​chemistry/​1953/​staudinger/​biographical/​.

(3) wikipedia. Hermann Staudinger. https://​en.m.wikipedia.org​/​wiki/​Hermann_​Staudinger.

(4) Staudinger, H. Viscosity investigations for the examination of the constitution of natural products of high molecular weight and of rubber and cellulose. Transactions of the Faraday Society 1933, 29, 18–32.

(5) Gololobov, Y. G.; Zhmurova, I. N.; Kasukhin, L. F. Sixty years of Staudinger reaction. Tetrahedron 1981, 37, 437–472.