Di alam, struktur yang keren dan kuat sering terlahir dari kolaborasi antar bagian kecilnya. Contohnya adalah cangkang kerang atau tulang hewan laut yang bertahan dari tekanan dan goncangan berkat lapisan-lapisan yang bekerja bersama. Para ilmuwan kini mencoba meniru prinsip ini untuk menciptakan material sintetis yang tidak hanya kuat, tetapi lebih pintar dalam menanggapi benturan. Material sintetis merupakan bahan buatan manusia, biasanya direkayasa pada tingkat sangat kecil agar punya sifat tertentu seperti kekuatan atau kemampuan menyerap energi.
Penelitian yang dipimpin oleh Profesor Shelly Zhang dari University of Illinois Urbana-Champaign bersama Profesor Ole Sigmund dari Technical University of Denmark berhasil memprogram lapisan-lapisan bahan sintetis agar bisa “berkolaborasi” saat mengalami tekanan atau benturan. Temuan ini dapat menjadi dasar bagi material baru yang lebih efektif digunakan di berbagai aplikasi seperti pelindung tubuh yang dapat dipakai atau bumper mobil yang lebih aman dari yang ada saat ini.
Belajar dari Struktur Alam: Inspirasi dari Cangkang dan Tulang
Selama jutaan tahun, evolusi telah menciptakan struktur alami yang sangat tangguh. Misalnya nacre, yaitu lapisan keras yang terdapat di dalam cangkang kerang atau tiram. Lapisan ini bukan hanya keras, tetapi juga sangat baik dalam menyebarkan energi benturan, sehingga makhluk laut yang memiliki nacre dapat bertahan dari serangan predator dan tekanan lingkungan. Nacre bukan satu bahan tunggal, tetapi terdiri dari banyak lapisan kristal kecil yang saling menempel seperti bata dan mortar dalam tembok.
Para peneliti awalnya melihat bagaimana alam mengatur berbagai lapisan dengan fungsi yang berbeda untuk menghadapi stres mekanis (tekanan atau tegangan pada suatu bahan). Stres mekanis adalah gaya yang bekerja pada bahan atau struktur yang membuatnya berubah bentuk atau bahkan patah jika terlalu besar. Untuk meniru ini, tim peneliti membayangkan sebuah sistem material buatan dengan banyak lapisan, di mana masing-masing lapisan memiliki kemampuan berbeda dalam merespons tekanan.
Tantangan Menciptakan Material dengan Lapisan yang Berkolaborasi
Dalam banyak penelitian sebelumnya, pendekatan yang umum adalah reverse engineering atau rekayasa balik. Ini berarti meniru bentuk dan struktur bahan alamiah untuk mendapatkan sifatnya, seperti meniru tulang atau kayu untuk membuat bahan buatan yang punya kekuatan mirip. Namun, Profesor Zhang dan koleganya tidak hanya meniru bentuknya secara langsung. Mereka ingin menciptakan kerangka baru yang memungkinkan lapisan-lapisan sintetis bekerja sama secara dinamis.
Salah satu tantangan yang dihadapi adalah batasan fisik dari setiap bahan. Tidak peduli seberapa pintar atau kuat sebuah bahan tunggal dibuat, selalu ada batas atas atau upper bound dalam kemampuan menyerap energi atau menahan tekanan. Itu sebabnya mereka berpikir bahwa dengan membuat struktur yang menggabungkan lapisan-lapisan berbeda yang bisa berinteraksi, hasilnya bisa lebih dari sekadar jumlah masing-masing lapisan saja.
Baca juga: Membangun Material Jaringan 3D dan Elektronik Melalui Teknik Buckling Tensil
Apa Itu Material Multilapis yang Diprogram?
Material multilapis yang diprogram adalah struktur yang terdiri dari beberapa lapisan bahan yang dibuat sedemikian rupa sehingga masing-masing lapisan memiliki sifat unik saat terkena tekanan. Tim telah mendesain struktur lapisan ini agar bereaksi berbeda terhadap gaya mekanis. Reaksi ini termasuk perubahan bentuk, mengembang, menyerap energi, atau berubah strukturnya dalam urutan tertentu saat terjadi benturan.
Contohnya, ketika suatu lapisan mengalami tekanan kuat, lapisan tersebut mungkin melentur atau buckling (suatu istilah dalam mekanika yang berarti melengkung secara tiba-tiba karena tekanan) lebih dulu daripada lapisan lain. Urutan dan cara masing-masing lapisan bereaksi dapat diprogram sehingga sistem keseluruhan menyerap energi lebih efektif ketimbang jika hanya memakai bahan tunggal.
“Kolaborasi” Antarlapisan: Lebih dari Sekadar Bertumpuk
Poin penting dari penelitian ini adalah bahwa setiap lapisan tidak hanya bertumpuk secara pasif, tetapi berinteraksi satu sama lain. Ini mirip seperti kerja tim dalam kehidupan. Jika setiap anggota bekerja sendiri-sendiri, hasilnya mungkin biasa saja, tetapi ketika saling menyesuaikan peran dan respons terhadap situasi, performanya jauh lebih baik. Dalam konteks material, interaksi antar lapisan bisa menghasilkan respons yang tidak bisa dicapai oleh satu bahan saja.
Pendekatan ini membuka pilihan desain yang lebih luas daripada struktur berbasis lattice atau struktur tunggal. Lattice merupakan susunan struktur teratur seperti jaring yang sering digunakan dalam material untuk mendapatkan kekuatan ringan. Dengan memiliki lapisan yang saling terhubung dan bisa berkolaborasi, tim peneliti menyatakan bahwa desain material menjadi lebih fleksibel dan canggih.
Eksperimen dan Realitas: Pelajaran dari Laboratorium
Saat teori ini diuji, para peneliti tahu bahwa model ideal berbeda dengan kenyataan di dunia nyata. Secara teori, mereka membayangkan material yang infinitely periodic atau berulang tanpa batas. Namun dalam praktiknya, pembuatan material hanya bisa dilakukan pada unit-unit tertentu dan jumlah lapisan terbatas. Hal ini menyebabkan perilaku material yang dibuat sedikit berbeda dari apa yang diramalkan oleh model sederhana.
Namun hal itu justru memberikan wawasan baru yang menarik. Mereka menemukan bahwa perbedaan antara teori dan realitas memunculkan pola urutan perubahan bentuk yang bisa “disimpan” sebagai informasi dan kemudian dibaca kembali. Ini berarti material itu bukan hanya menahan benturan, tetapi bisa juga menyimpan data mekanis yang terjadi saat tekanan bekerja. Meskipun ini masih dalam tahap awal, implikasinya sangat besar—suatu saat material tidak hanya pasif menyerap benturan, tetapi responsnya bisa diatur dan dipelajari.
Potensi Aplikasi: Dari Pelindung Tubuh Hingga Bumper Mobil
Tim melihat banyak aplikasi potensial dari material baru ini. Salah satunya adalah pada alat pelindung tubuh yang bisa dipakai, seperti baju pelindung atau bandage pintar yang mampu merespons dan menyesuaikan penyerapan energi benturan berdasarkan besarnya gaya yang diterima. Ini bisa membantu mengurangi cedera pada olahraga atau lingkungan kerja berbahaya.
Contoh lainnya adalah dalam industri otomotif, khususnya pada bumper mobil. Bumper modern tidak hanya harus kuat, tetapi juga mampu menyerap energi benturan secara efisien agar meminimalkan kerusakan baik pada kendaraan maupun yang mengemudikannya. Dengan menggunakan material multilapis yang bereaksi berurutan terhadap benturan, sistem pelindung bisa lebih adaptif dibandingkan dengan material konvensional.
Tantangan ke Depan dan Peluang Besar Ilmiah-Teknis
Walaupun hasil penelitian ini sangat menjanjikan, masih banyak tantangan dalam hal produksi massal atau skala besar. Tim perlu mengembangkan cara untuk memproduksi material multilapis ini secara efisien dan terjangkau. Selain itu, tim juga perlu melakukan eksplorasi cara mengatur respons material agar bisa menyesuaikan dengan kondisi nyata di dunia industri.
Namun satu pelajaran penting yang disampaikan Profesor Zhang adalah analogi antara kolaborasi manusia dan kolaborasi material. Ketika orang bekerja bersama, hasilnya sering lebih besar daripada jika mereka bekerja sendiri-sendiri. Hal yang sama berlaku pada desain material: ketika berbagai bagian material bekerja bersama, kemampuannya bisa jauh melampaui kemampuan bagian material itu sendiri.
Kesimpulan
Penelitian ini menunjukkan bahwa dengan meniru strategi alam—yakni penggunaan lapisan yang berbeda yang saling bekerja sama—ilmuwan dapat menciptakan bahan sintetis baru yang punya kemampuan unik dalam merespons tekanan mekanis. Dengan memprogram lapisan-lapisan ini untuk berinteraksi satu sama lain, material baru ini mampu menahan benturan lebih efektif daripada bahan tunggal, sekaligus membuka jalan bagi inovasi di berbagai bidang seperti pelindung pintar dan komponen otomotif yang lebih aman. Meskipun masih dalam tahap awal, pendekatan ini menunjukkan bagaimana inspirasi dari alam bisa mengubah cara kita merancang material masa depan.
Referensi:
[1] https://news.illinois.edu/study-finds-that-individual-layers-of-synthetic-materials-can-collaborate-for-greater-impact/, diakses pada 28 Desember 2025.
[2] Zhi Zhao, Rahul Dev Kundu, Ole Sigmund, Xiaojia Shelly Zhang. Extreme nonlinearity by layered materials through inverse design. Science Advances, 2025; 11 (20) DOI: 10.1126/sciadv.adr6925
