SIRINGMAKAR 23: “Perkembangan Sintesis Nanopartikel dan Aplikasinya”

Pemateri: Lusi Ernawati (Dosen di Institut Teknologi Kalimantan)

Moderator: Afifah Sofiana Jamil

Diskusi

Topik yang akan saya sampaikan ini mengenai Perkembangan Sintesis Nanopartikel dan Aplikasinya, materi akan saya bagi menjadi beberapa sub-materi, antara lain:

1. Definisi nanopartikel dan yang membedakan dengan material sejenis dalam ukuran besar (bulk);
2. Metode sintesis nanopartikel; dan
3. Aplikasi dan karakterisasi nanopartikel.

Definisi Nanopartikel

Hal pertama yang perlu diketahui, nanopartikel didefinisikan sebagai particulate (partikulat) yang terdispersi atau partikel-partikel padatan dengan ukuran partikel berkisar 10 – 100 nm. Pada saat ini, pengembangan nanopartikel (nanoteknologi) terus dilakukan oleh para peneliti dunia akademik maupun industri.

Adapun yang membuat nanopartikel berbeda dengan material sejenis yang berukuran lebih besar (bulk) adalah:

1. Karena ukurannya yang kecil, nanopartikel memiliki nilai perbandingan antara luas permukaan dan volume yang lebih besar jika dibandingkan dengan partikel sejenis yang ukurannya besar, karena ukurannya yang sangat kecil tersebut membuat nanopartikel bersifat lebih reaktif. Seperti yang sudah diketahui, reaktifitas material ditentukan oleh atom-atom di permukaan, karena hanya atom-atom tersebut yang bersentuhan langsung dengan material lain;
2. Ketika ukuran partikel menuju skala nanometer, maka sifat fisika yang berlaku lebih mendominasi. Sedangkan, sifat-sifat nanopartikel biasanya berkaitan dengan fenomena kuantum karena keterbatasan ruang gerak elektron dan muatan partikel yang kemudian mempengaruhi sifat-sifat material, seperti perubahan warna, transparansi, kekuatan mekanik, konduktivitas listrik dan magnetisasi;
3. Perubahan rasio jumlah atom yang menempati permukaan terhadap jumlah total atom, yang pada akhirnya mempengaruhi perubahan titik didih, titik beku dan reaktivitas kimia. Uniknya, perubahan-perubahan akibat fenomena tersebut untuk kasus nanopartikel dapat dikontrol ke arah yang kita inginkan.

Contoh sederhana adalah bagaimana sifat partikel berubah jika ukurannya direduksi ke skala nanometer dapat dijumpai pada material TiO₂ (Titanium Dioksida). Titania pada ukuran nano tidak hanya bersifat transparan, tetapi juga sangat efektif untuk menghalangi radiasi ultraviolet. Penggunaan TiO₂ biasa diaplikasikan untuk industri kosmetik sebagai tabir surya (sunscreen).

Metode Sintesis Nanopartikel

Selanjutnya mengenai sintesis nanopartikel sendiri dapat dilakukan dengan beberapa cara, antara lain dalam fasa padat, cair maupun gas. Prosesnya dapat berlangsung secara fisika maupun kimia. Adapun dua pendekatan utama sintesis nanopartikel adalah Top-Down dan Bottom-Up.

Pada pendekatan Top-Down, artinya adalah memecah partikel berukuran besar menjadi berukuran nano, sementara Bottom-Up adalah memulai sintesis partikel nano dimulai dari atom-atom/ molekul/ kluster yang dibentuk sedemikian rupa sehingga terbentuk partikel berukuran nano sesuai yang dikehendaki. Nah, sekarang kita masuk ke materi tentang metode sintesis nanopartikel yang dapat dilakukan secara konvensional (sol gel, hydrothermal, precipitation, solid state) maupun dengan menggunakan alat yang lebih kompleks (spray drying, pyrolysis, dsb.).

Sintesis nanopartikel dapat dilakukan dengan beberapa metode berikut:

1. Metode Pemanasan Sederhana dalam Larutan Polimer

Umumnya metode ini adalah untuk memodifikasi metal oksida dengan polimer tertentu untuk menghasilkan komposit nanopartikel. Contohnya senyawa silver nitrate (AgNO₃) menggunakan polimer polyvinyl alcohol (PVA), dimanfaatkan sebagai antibacterial agent.

2. Metode Colloidal (Koloid)

Sejumlah peneliti besar telah berhasil memodifikasi nanoparticle dalam bentuk koloid dengan ukuran mencapai 3 – 50 n. Jenis koloid ini mencakup logam mulia (unsur III-V, 8A), seperti Au, Ag, Pt, Pd dan Cu; semikonduktor (Si, Ge, oksida logam); adapula yang menggunakan isolator (SiO₂, material keramik) dan material magnetik (Fe₂O₃, Ni, Co, Fe dan Pt).

Untuk membuat partikel dengan ukuran tertentu biasanya digunakan surfaktan sejenis CTABr, SDS, kationik, surfaktan anionik sebagai surface active reagent. Penambahan surfaktan berfungsi disamping menghentikan pertumbuhan ukuran partikel lebih lanjut, juga berfungsi untuk menghindari penggumpalan (aglomerasi) yang lebih besar sehingga partikel koloid tetap stabil dalam jangka waktu yang lama.

3. Metode Polyol

Proses ini merupakan cara yang dilakukan untuk menghasilkan partikel logam, seperti Cu, Ni dan Co dalam ukuran nano dalam media selain air. Contoh media yang biasa digunakan adalah ethylene glycol dan diethylene glycol.

     4. Metode Spray (Drying dan Pyrolysis)

Metode sintesis ini yakni merupakan metode penguraian/ pembangkitan droplet-droplet kecil dari medium fasa cair. Contoh produk dari sintesis ini antara lain: parfum, hair spray, cat pilox, obat anti-nyamuk dan paint brush. Ukuran droplet yang dihasilkan bergantung pada berbagai faktor, antara lain: viskositas cairan, tegangan permukaan cairan, ukuran lubang tempat droplet keluar. Kelebihan metode ini adalah efisiensi dan proses sintesis berlangsung cepat.

Baca juga: Metode Kopresipitasi – Metode Mudah dan Murah dalam Mensintesis Nanopartikel (warstek.com)

5. Metode Templating Method dan Nanosphere Litography
   

Metode ini diawali dengan deposisi material pada masker kristal koloid yang telah teratur (self-organized) untuk pengaturan nanopartikel pada permukaan datar. Metode ini adalah cara fabrikasi ideal untuk menghasilkan penyusunan partikel yang teratur dan homogen, baik ukuran, bentuk maupun periodisitas-nya dapat dikontrol dengan mudah.

Aplikasi dan Karakterisasi Nanopartikel

Aplikasi nanopartikel sangat luas sekali baik di dunia industri maupun lingkungan, sepertinya tidak mungkin saya bahas satu per satu disini.

Tanya-Jawab (QnA)

1. Andri Yulianto. Q: Setahu saya di Indonesia sudah ada perkumpulan masyarakat nano yang berkantor di Puspitek Serpong?, apakah sejauh ini sudah ada hasil temuan dari lembaga tersebut, dan sudah adakah start-up perusahaan nanoteknologi di Indonesia?. Iya, betul. Sepengetahuan saya, sudah ada 4 hingga 6 start-up perusahaan nanoteknologi yang telah dikembangkan di Indonesia, diantaranya ada PT. Nanotech Inovasi Indonesia, PT. Nanotech Herbal Indonesia dan PT. Sinergie Nanotech Indonesia. Ada juga yang berbentuk CV, antara lain: CV. Nanotech, CV. Transfer Inovasi (teknologi informasi dan pendidikan), produk yang dikembangkan salah satunya adalah produk Herbal Alamo berbahan organik (pelangsing, clay, antima dsb.).

2. Ali. Q: Bagaimana cara memilih metode sintesis yang tepat?, dan bagaimana cara meminimalkan terjadinya kegagalan dalam mensintesis?. A. Langkah awal, pahami dulu karakteristik material yang akan disintesis (fisika, kimia dan mekanik). Perbanyak studi literatur dan pelajari proses yang sudah dilakukan pada penelitian sebelumnya, kemudian pilih mana yang paling memungkinkan dan efisien. Karena metode ini berkaitan dengan ukuran, bentuk, struktur dan morfologi yang Saudara inginkan. Optimasi perbandingan komposisi material yang digunakan juga harus dipertimbangkan untuk meminimalisir. Yang jelas tidak ada tips atau cara khusus untuk meminimalisir kegagalan. Tergantung pada proses apa yang digunakan dan parameter yang ditetapkan.

3. Ilham. Q: Nanopartikel memiliki keunikan apabila berukuran nano, apabila ingin membuat nanopartikel dengan ketahanan termal yang tinggi, dapatkah disintesis melalui modifikasi nanopartikel berbahan organik yang notabene sifatnya tidak tahan panas?. A. Thermal/ suhu tinggi (>1000 C) saya belum pernah menemukan/ mengetahui. Tapi dibawah <= 500 ada contoh yang saya tahu, yaitu modifikasi Bentonit (Clay) menjadi Organic Clay dengan penambahan surfaktan, aplikasinya sebagai nanofiller pada material nanokomposit.

4. Gardin Muhammad. Q: Apakah sintesis atau pembuatan suatu alat yang menggunakan nanomaterial harus dilakukan di dalam clean room?, karena setahu saya di Indonesia belum ada clean room. A. Iya, selain clean room, ada beberapa kriteria ruangan yang harus digunakan untuk sintesis nanopartikel, antara lain: low humidity, oxygen atmosphere, dry air, dsb. Ini biasanya untuk alat solar cell menggunakan bahan nanomaterial.

5. Anggara. Q: Kereaktifan nanopartikel yang lebih besar daripada partikel yang lain ini apakah dapat diterapkan pada perkembangan dunia kedokteran, khususnya obat?, apakah ada resikonya di dunia kedokteran?. A. Teknologi nanopartikel di dunia medis/ kedokteran saat ini menjadi tren baru dalam pengembangan sistem penghantaran obat (drug delivery), tentunya setelah dimodifikasi dan diformulasikan secara khusus agar tidak membahayakan. Selain untuk penghantaran obat, juga digunakan untuk mendeteksi sel tumor/ kanker dalam tubuh, pembuatan spinnel ferrite NiFe₂O₄ yang dilapisi PEG sebagai magnetic resonance, tissue engineering scaffold. Ukuran nanopartikel diaplikasikan pula dalam proses tablet nanopartikel karena sifatnya yang mudah larut, maka akan meningkatkan daya kerja dan keefektifan penyerapan obat oleh tubuh. Sementara, untuk resiko tentunya jika digunakan secara berlebihan dan sembarangan akan menyebabkan resiko dan efek samping yang buruk.

6. Pandega Abyan. Q: Perubahan-perubahan sifat kimia dan fisika dapat dikontrol sesuai keinginan kita, bagaimana contoh nyatanya?. A. Maksud dari mengubah sifat kimia dan fisika disini tidak dilakukan secara bersamaan, melainkan dilakukan dengan cara memodifikasi. Contohnya, nanopartikel perak (Ag) memiliki sifat optik, listrik dan thermal. Tingkat absorpsi yang baik dapat dimodifikasi sifat-sifat fisiknya dengan memodifikasi produk seperti photovoltaic (PV), sensor biologi dan kimia. Salah satu aplikasinya adalah pasta tinta konduktor yang memanfaatkan nanopartikel Ag untuk konduktivitas listrik yang tinggi, stabilitas dan suhu sintering yang rendah. Contoh lain adalah silika dengan sifat optik (transparansi dan absorpsi) terhadap cahaya menjadi lebih tinggi jika dimodifikasi dengan polimer PES untuk mendapatkan sifat plastik transparan dan konduktivitas yang baik untuk bahan thermal insulator. Selain itu, misalnya WO₃ untuk fotokatalis pada absorpsi dye tekstil RhB menjadi maksimum dengan memodifikasinya menggunakan TiO₂ untuk mendapatkan tingkat absorpsi yang tinggi terhadap degradasi dye organik.

7. Alfi. Q.1: Saya sedang melakukan penelitian di bidang fotokatalis dikompositkan dengan TiO₂, nah kira-kira bagaimana metode yang bagus untuk meningkatkan efektivitas dari material fotokatalis tersebut, Bu?, tepatnya bagaimana meningkatkan efektivitas dalam sinar tampak?. A.1 Yang saat ini saya kembangkan adalah metode colloidal (surface modification), caranya dengan mengatur komposisi WO₃/ TiO₂ dan dosis katalis selama proses degradasi. Hasil degradasi methylene blue dapat mencapai 85 – 90%. Tentunya ukuran efektivitas tidak hanya bergantung pada level absorpsi saja, tetapi juga waktu degradasi, dan ini masih butuh waktu 120 min. untuk mencapai hasil maksimal. Berbeda dengan penggunaan material CaTiO₃, saya berhasil mendegradasi RhB dan Mb dalam waktu 40 min. saja dengan absorpsi 80 – 90%. | Q.2 Pada penjelasan: “yang kedua adalah perubahan rasio atom yang menempati permukaan terhadap jumlah total atom”, permukaan apa yang dimaksud?. A.2 Maksudnya permukaan partikel.

8. Dewi Adelia. Q: Kalau yang dipakai adalah TiO₂ untuk mendegradasi limbah organik cair di industri, jika TiO₂ ini di-doping, maka syarat doping-nya harus bagaimana?, kemudian untuk pengemban TiO₂ harus bagaimana?. Terimakasih. A. Kriteria doping untuk memperbaiki kinerja fotokatalis TiO₂ adalah doping yang mampu menurunkan energy band gap TiO₂. Bisa doping logam maupun non-logam. Doping menggunakan dopan logam lebih sering digunakan karena keunggulannya sebagai electron trapper yang dapat mengurangi reaksi rekombinasi electron hole. Nah, tentunya jenis dopan berpengaruh terhadap responsivitas TiO₂ yang telah di-doping pada daerah sinar visible. Jadi, harus dilakukan pengukuran band gap-nya dulu untuk tahu persis doping mana yang cocok.

9. Aldi Dwi Prasetiyo. Q: Ingin menanyakan terkait penelitian saya tentang sintesis SrTiO₃ terdoping Fe dengan metode lelehan garam sebagai degradasi zat warna, yang ingin saya tanyakan, didalam SrTiO₃, posisi valensi band dan konduksi band masing-masing ditempati oleh atom apa ya?, dan saya masih bingung siapa yang menyumbang elektron-nya. Spektrum VB dominan O, CB dominan Sr, untuk posisi Doping Fe nantinya terletak dekat pita valensi apakah benar sebagai elektron trapper sebelum rekombinasi ke pita valensi?

   

   A. Interkalasi doping ion Fe harusnya berdampak pada oksigen, dimana orbital Fe3d dan O 2p, kemungkinan kalau interstisi, ada stoikiometri antara FeOx.

Penutup

“NANOPARTICLE IS NOT ONLY USEFUL, BUT ALSO BEAUTIFUL”.