Selembar bahan yang berkerut biasanya dianggap memiliki cacat. Pada pakaian, kerutan membuat permukaan terlihat tidak rapi. Pada komponen elektronik, permukaan yang tidak rata bahkan sering dianggap sesuatu yang harus dihindari. Namun, ketika ukuran kerutan diperkecil hingga mendekati skala atom, aturan tersebut ternyata dapat berubah.
Sebuah tim peneliti yang dipimpin oleh ilmuwan dari Rice University menemukan bahwa kerutan sangat kecil pada graphene dapat mengubah sifat listrik material tersebut secara dramatis. Bukan karena graphene diberi unsur kimia baru atau dicampur dengan material tambahan, melainkan hanya karena bentuknya berubah pada skala yang luar biasa kecil.
Penelitian yang dipimpin oleh Sathvik Ajay Iyengar dan melibatkan Pulickel M. Ajayan, Vincent Meunier serta sejumlah peneliti dari berbagai institusi tersebut diterbitkan di Advanced Materials dengan judul Sub-Nanometer Curvature Unlocks Quantum Orbital Flexoelectricity in Graphene. Tim menunjukkan secara eksperimen dan melalui perhitungan teori bahwa kelengkungan ekstrem pada graphene dapat memindahkan distribusi elektron dan menghasilkan polarisasi listrik yang sangat kuat. Temuan ini menarik karena menunjukkan sebuah kemungkinan baru dalam dunia elektronika: sifat listrik sebuah material mungkin dapat diatur tidak hanya dengan mengubah komposisi kimianya, tetapi juga dengan merekayasa bentuknya.
Graphene, Material yang Tebalnya Hanya Satu Atom
Untuk memahami mengapa temuan ini menarik, kita perlu mengenal graphene terlebih dahulu. Graphene merupakan lembaran karbon dengan ketebalan hanya satu atom. Atom-atom karbonnya tersusun membentuk pola heksagonal yang sekilas menyerupai sarang lebah. Walaupun sangat tipis, graphene memiliki kombinasi sifat yang tidak biasa. Material ini kuat, fleksibel, dan memiliki sifat elektronik yang membuatnya menarik untuk berbagai penelitian perangkat berukuran sangat kecil. Karena hanya setebal satu atom, bentuk graphene juga sangat mudah dipengaruhi oleh permukaan tempat material tersebut berada. Graphene tidak harus selalu terbentang sempurna seperti selembar kertas di atas meja. Material ini dapat melengkung, bergelombang, terlipat, atau membentuk kerutan berukuran nanometer. Sebagai gambaran, satu helai rambut manusia memiliki diameter puluhan ribu nanometer. Jadi, ketika para peneliti membicarakan kerutan graphene berukuran nanometer, kita sedang berbicara mengenai struktur yang luar biasa kecil. Pada ukuran sekecil inilah kerutan yang tampaknya sederhana mulai menghasilkan fenomena fisika yang menarik.
Baca juga: Grafena Tembus Ion: Terobosan Baru untuk Filtrasi Air dan Sensor Masa Depan
Ketika Kerutan Kecil Mulai Memindahkan Muatan Listrik
Tim peneliti mempelajari graphene yang membentuk jaringan nanowrinkle atau kerutan berukuran nano. Kerutan tersebut memiliki bagian puncak yang sangat tajam dengan radius kelengkungan sekitar 5 angstrom, atau kira-kira 0,5 nanometer. Satuan angstrom (sepersepuluh nanometer) merupakan ukuran yang sering digunakan untuk menggambarkan jarak pada skala atom.
Bayangkan sebuah penggaris lentur yang dibengkokkan. Jika lengkungannya tersebar sepanjang beberapa sentimeter, perubahan bentuknya relatif lembut. Sekarang bayangkan lengkungan yang sama dipaksa terjadi dalam wilayah yang lebarnya bahkan lebih kecil dari satu nanometer. Pada kondisi ekstrem seperti itulah sesuatu terjadi pada elektron graphene. Elektron tidak lagi terdistribusi dengan cara yang persis sama seperti ketika graphene berada dalam keadaan datar. Kelengkungan yang sangat tajam membuat distribusi muatan bergeser sehingga salah satu sisi memiliki karakter listrik yang sedikit berbeda dari sisi lainnya. Iyengar menggambarkannya seperti terbentuknya dua sisi listrik yang berlawanan, menyerupai dua kutub pada baterai yang sangat kecil. Fenomena inilah yang berkaitan dengan flexoelectricity.
Apa Itu Flexoelectricity?
Flexoelectricity merupakan fenomena ketika deformasi yang tidak seragam pada suatu material menyebabkan pemisahan muatan listrik atau polarisasi. Polarisasi dapat dipahami sebagai kondisi ketika muatan positif dan negatif di dalam material sedikit bergeser ke arah yang berbeda. Material secara keseluruhan mungkin tetap netral, tetapi distribusi muatannya tidak lagi sepenuhnya simetris.
Hal yang penting adalah deformasinya tidak seragam. Jika seluruh material hanya diregangkan secara sama rata, efeknya berbeda. Dalam flexoelectricity, satu bagian mengalami regangan atau kelengkungan yang berbeda dari bagian lain. Perbedaan regangan dari satu lokasi ke lokasi lainnya disebut strain gradient. Strain secara sederhana berarti perubahan bentuk akibat gaya, misalnya ketika sebuah benda ditarik, ditekan, atau dibengkokkan. Strain gradient berarti tingkat perubahan bentuk tersebut tidak sama di seluruh material.
Graphene sangat menarik untuk mempelajari fenomena ini karena material dua dimensi tersebut sangat tipis dan fleksibel. Ketika graphene dibengkokkan dengan sangat tajam, perubahan struktur pada skala atom dapat menjadi sangat besar meskipun keseluruhan kerutannya terlihat sangat kecil.
Elektron π Ikut Berubah Saat Graphene Dibengkokkan
Pada tingkat yang lebih dalam, penelitian ini berkaitan dengan elektron π atau pi pada graphene. Elektron π merupakan elektron yang berperan penting dalam sifat elektronik graphene. Dalam graphene datar, orbital yang membentuk sistem elektron π memiliki susunan tertentu terhadap bidang lembaran karbon. Orbital dapat dibayangkan secara sederhana sebagai wilayah di sekitar atom tempat elektron memiliki kemungkinan besar untuk ditemukan.
Ketika lembaran graphene dibengkokkan sangat tajam, orientasi orbital tersebut ikut berubah. Pada nanowrinkle dengan kelengkungan ekstrem, elektron yang sebelumnya tersusun secara relatif simetris mengalami redistribusi. Itulah alasan judul paper menggunakan istilah quantum orbital flexoelectricity. Efek listrik yang muncul berkaitan langsung dengan perubahan struktur elektronik pada skala kuantum ketika orbital elektron mengalami kelengkungan. Dengan kata lain, kerutannya memang berbentuk mekanis, tetapi konsekuensinya mencapai dunia elektron.
Kerutan Terbentuk di Atas MoS2
Dalam penelitian tersebut, nanowrinkle graphene berada di atas permukaan molybdenum disulfide atau MoS2. MoS2 merupakan material berlapis yang juga banyak digunakan dalam penelitian material dua dimensi. Perbedaan sifat mekanis antara graphene dan MoS2 membantu menghasilkan strain gradient pada graphene. Tim kemudian dapat mempelajari bagian graphene yang sangat melengkung dan membandingkannya dengan daerah graphene di sekitarnya yang relatif datar. Perbandingan ini penting. Jika seluruh sampel hanya terdiri dari permukaan yang melengkung, akan sulit memastikan apakah sinyal listrik yang ditemukan memang berasal dari kelengkungan atau dari faktor lain. Dengan membandingkan kerutan yang sangat tajam dengan graphene datar di dekatnya, peneliti dapat mengisolasi pengaruh kelengkungan secara lebih meyakinkan.
Bagaimana Peneliti Mengukur Efek Sekecil Itu?
Mengukur perubahan listrik pada struktur dengan ukuran mendekati beberapa atom tentu tidak dapat dilakukan menggunakan alat ukur biasa. Tim menggunakan beberapa metode yang saling melengkapi. Salah satunya adalah conductive atomic force microscopy atau c-AFM. Atomic force microscopy merupakan teknik yang menggunakan ujung probe yang sangat kecil untuk memindai permukaan material. Dalam versi conductive AFM, alat tersebut sekaligus dapat mengukur arus listrik pada lokasi yang sangat kecil. Melalui metode ini, peneliti mendeteksi respons listrik secara konsisten pada jaringan nanowrinkle graphene.
Selain itu, tim juga menggunakan Raman spectroscopy. Teknik ini memanfaatkan interaksi cahaya laser dengan material untuk memperoleh informasi tentang struktur atom dan kondisi mekanis suatu bahan. Dalam penelitian ini, Raman spectroscopy membantu memetakan daerah yang mengalami regangan dan menunjukkan strain gradient di sekitar kerutan graphene.
Selain eksperimen, tim juga menggunakan simulasi komputer untuk memprediksi bagaimana kelengkungan mengubah distribusi elektron dan energi elektronik material. Hasil teori kemudian dibandingkan dengan pengukuran eksperimen. Kesesuaian antara keduanya menjadi salah satu bagian penting penelitian ini.
Kerutan Itu Seperti Polisi Tidur bagi Elektron
Rice University menggunakan gambaran sederhana untuk menjelaskan hasil penelitian tersebut. Kerutan graphene dapat dibayangkan seperti deretan “polisi tidur” listrik berukuran sangat kecil. Ketika elektron bergerak melalui daerah graphene yang datar kemudian menghadapi puncak kerutan yang sangat tajam, lingkungan energi yang mereka alami berubah. Tim menemukan adanya respons listrik yang muncul secara konsisten setelah tegangan mencapai sekitar 1 volt. Perhitungan teoritis mereka memprediksi perubahan atau offset energi sekitar 1,2 volt, cukup dekat dengan hasil eksperimen.
Temuan ini mengindikasikan adanya penghalang energi lokal yang berkaitan dengan susunan pita energi dan polarisasi akibat strain. Sederhananya, elektron memerlukan kondisi energi tertentu untuk melewati atau berinteraksi dengan wilayah kerutan tersebut. Oleh karena itu, kerutan bukan sekadar tonjolan geometris. Pada skala atom, kerutan dapat menjadi fitur elektronik yang ikut menentukan bagaimana muatan listrik bergerak.
Yang Penting Ternyata Bukan Tinggi Kerutan
Salah satu temuan yang cukup mengejutkan adalah bahwa kuatnya respons listrik tidak terutama ditentukan oleh seberapa tinggi kerutan graphene. Faktor yang lebih penting adalah ketajaman kelengkungannya. Dua kerutan dapat memiliki tinggi yang hampir sama, tetapi jika salah satunya memiliki puncak yang jauh lebih tajam, strain gradient pada daerah tersebut dapat menjadi lebih besar. Akibatnya, redistribusi elektron dan polarisasi yang muncul juga dapat berbeda. Tim menemukan bahwa respons listrik sangat berkaitan dengan curvature atau kelengkungan lokal pada puncak nanowrinkle. Temuan ini penting untuk rekayasa material karena memberikan parameter baru yang dapat dikontrol. Alih-alih hanya menentukan ukuran struktur, ilmuwan mungkin dapat merancang seberapa tajam lengkungan dibuat untuk menghasilkan sifat listrik tertentu. Dalam dunia teknologi nano, perbedaan bentuk yang hanya beberapa angstrom dapat memiliki konsekuensi besar.
Polarisasinya Bisa Sangat Kuat
Bagian lain yang membuat penelitian ini menonjol adalah besarnya polarisasi yang diperkirakan terjadi. Paper tersebut melaporkan estimasi polarisasi eksperimen sekitar 1 coulomb per meter persegi, sementara estimasi berdasarkan kondisi ambang mencapai sekitar 4 coulomb per meter persegi. TIm memperkirakan nilai tersebut sekitar 100.000 hingga 10 juta kali lebih besar daripada yang ditemukan pada sistem flexoelectric berukuran mikro atau meso yang dijadikan perbandingan.
Angka sebesar itu tidak berarti selembar graphene yang kusut dapat langsung digunakan sebagai pembangkit listrik dengan daya luar biasa besar. Yang sedang dibahas adalah kepadatan polarisasi lokal pada struktur yang ukurannya sangat kecil. Ini merupakan perbedaan yang penting. Hasil penelitian menunjukkan efek listrik yang sangat kuat pada skala nano, tetapi belum berarti teknologi pembangkit listrik komersial dapat langsung dibuat darinya. Bahkan dalam pengukuran arus, tim mengamati adanya tegangan ambang sekitar 1 volt sebelum perilaku flexoelectric yang khas muncul. Jadi, nilai utama penelitian ini berada pada kemampuan mengendalikan perilaku elektronik secara lokal melalui bentuk material.
Ide Ini Sebenarnya Sudah Diprediksi Bertahun-tahun Lalu
Menariknya, gagasan bahwa pembengkokan graphene dapat mengubah distribusi elektron bukanlah ide yang sepenuhnya baru. Vincent Meunier bersama Sergei Kalinin telah membahas konsep quantum flexoelectricity pada sistem berdimensi rendah bertahun-tahun sebelumnya. Rice University menyebut asal teori yang berhubungan dengan penelitian terbaru ini dapat ditelusuri hingga sekitar 2008. Pada saat itu, pembuktian eksperimental masih sangat sulit karena efek yang ingin diamati terjadi pada lengkungan dengan ukuran hanya beberapa atom. Bertahun-tahun kemudian, Iyengar menemukan sinyal listrik yang tidak biasa pada kerutan graphene paling tajam dari data eksperimen yang dikumpulkannya bersama Manoj Tripathi. Data tersebut kemudian dihubungkan kembali dengan prediksi teoritis Meunier. Pertemuan antara eksperimen modern dengan gagasan teori lama inilah yang akhirnya memungkinkan tim menguji fenomena tersebut secara lebih langsung. Ini sekaligus menunjukkan bagaimana perkembangan teknologi pengukuran dapat membuat prediksi fisika yang sebelumnya sulit dibuktikan akhirnya dapat diamati.
(B) Citra SEM menunjukkan permukaan MoS2 sebelum dan sesudah dilapisi graphene hingga terbentuk kerutan nano.
(C) Simulasi menunjukkan kerutan kecil muncul akibat tekanan lalu bergabung sangat cepat menjadi kerutan yang lebih besar.
(D) Visualisasi menunjukkan bahwa bentuk kerutan dapat membuat distribusi elektron menjadi tidak simetris.
(E) Citra AFM memperlihatkan dua bentuk kerutan graphene yang diamati dalam penelitian, termasuk kerutan tegak yang menjadi fokus utama studi.
Dari Mengubah Kimia Menjadi Mengubah Geometri
Biasanya, ketika ilmuwan ingin mengubah sifat elektronik sebuah material, salah satu pendekatan yang digunakan adalah mengubah komposisi kimianya. Atom tertentu dapat ditambahkan, lapisan material lain dapat digabungkan, atau struktur kimianya dapat dimodifikasi. Pendekatan ini tetap sangat penting, tetapi penelitian graphene ini menawarkan alternatif menarik.
Bagaimana jika sifat listrik dapat diubah hanya dengan mengatur bentuk material? Pulickel Ajayan menjelaskan bahwa hasil penelitian tersebut menunjukkan geometri saja dapat mengubah perilaku listrik graphene. Dengan kata lain, struktur fisik material dapat menjadi alat desain elektronik, bukan sekadar konsekuensi dari proses fabrikasi.
Pendekatan semacam ini dikenal secara lebih luas sebagai strain engineering, yaitu merekayasa sifat suatu material dengan mengontrol bagaimana material tersebut diregangkan, ditekan, atau dibengkokkan. Pada graphene nanowrinkle, strain engineering mencapai skala yang ekstrem. Yang direkayasa bukan lagi lengkungan yang terlihat dengan mata, melainkan perubahan bentuk pada tingkat beberapa atom.
Apa Manfaatnya untuk Teknologi Masa Depan?
Para peneliti melihat kemungkinan pemanfaatan prinsip ini dalam perangkat elektronik dan elektromekanik berukuran sangat kecil. Jika kelengkungan dapat dikontrol dengan baik, ilmuwan berpotensi menciptakan wilayah pada graphene yang memiliki sifat listrik berbeda tanpa perlu mengubah komposisi kimianya. Sebuah lembar graphene yang sama secara teori dapat memiliki berbagai “zona” elektronik hanya karena beberapa bagian dibuat datar dan bagian lain dibuat sangat melengkung.
Konsep seperti ini berpotensi menarik untuk sensor berukuran sangat kecil. Sensor bekerja dengan mendeteksi perubahan lingkungan dan mengubahnya menjadi sinyal yang dapat diukur. Jika perubahan bentuk yang sangat kecil mampu menghasilkan perubahan listrik yang besar, material semacam ini berpotensi menghasilkan sensor yang sangat sensitif.
Rice University juga menyebut kemungkinan penggunaan prinsip tersebut pada perangkat elektronik ultratipis. Namun, penggunaan praktis ini masih merupakan arah penelitian masa depan, bukan perangkat yang sudah siap diproduksi.
Masih banyak pertanyaan yang perlu dijawab, termasuk bagaimana membuat kerutan dengan bentuk dan posisi yang konsisten, bagaimana mempertahankan sifatnya selama penggunaan, bagaimana menghubungkannya dengan komponen lain, serta apakah sistem tersebut dapat diproduksi secara ekonomis dalam skala besar.
Kerutan yang Dulu Dianggap Cacat Bisa Menjadi Fitur
Temuan ini juga memberikan pelajaran menarik dalam ilmu material. Dalam banyak proses manufaktur, kerutan pada material tipis sering dianggap sebagai cacat yang harus dikurangi. Namun, di dunia material dua dimensi, sesuatu yang tampak seperti ketidaksempurnaan tidak selalu merugikan. Jika bentuknya dapat dipahami dan dikendalikan, kerutan justru dapat berfungsi sebagai fitur. Nanowrinkle graphene dapat menjadi contoh bagaimana sebuah ketidakteraturan struktural menghasilkan sifat baru yang tidak terdapat pada daerah material yang datar.
Tim menunjukkan bahwa alam atau proses pembentukan material sudah dapat menghasilkan kerutan-kerutan tersebut. Tantangannya sekarang adalah memahami bagaimana mengendalikan geometri itu sehingga efek elektroniknya dapat dimanfaatkan secara terencana.
Dalam konteks yang lebih luas, penelitian ini menunjukkan bahwa pada skala nano, bentuk dan fungsi semakin sulit dipisahkan. Mengubah geometri beberapa atom saja dapat cukup untuk mengubah bagaimana elektron berperilaku.
Kesimpulan
Penelitian terbaru yang diterbitkan di Advanced Materials menunjukkan bahwa kerutan sangat tajam pada graphene dapat menghasilkan flexoelectricity yang luar biasa kuat. Ketika graphene dibengkokkan hingga memiliki radius kelengkungan sekitar 5 angstrom atau 0,5 nanometer, struktur orbital elektronnya berubah dan distribusi muatan bergeser. Hasilnya adalah polarisasi listrik lokal yang dapat memengaruhi aliran elektron.
Melalui conductive atomic force microscopy, Raman spectroscopy, pengukuran struktur, dan simulasi komputer, para peneliti menunjukkan bahwa respons listrik tersebut berkaitan erat dengan kelengkungan nanowrinkle. Menariknya, ketajaman lengkungan ternyata lebih penting daripada tinggi keseluruhan kerutan. Eksperimen juga menemukan respons listrik dengan tegangan ambang sekitar 1 volt, sejalan dengan prediksi teoritis perubahan energi sekitar 1,2 volt.
Temuan ini tidak berarti graphene yang diremas dapat langsung menjadi baterai atau sumber energi baru. Efek yang ditemukan terjadi pada struktur dengan ukuran mendekati skala atom dan masih membutuhkan penelitian panjang sebelum dapat diterapkan pada perangkat sehari-hari. Namun, prinsip yang diperlihatkannya sangat menarik. Ilmuwan selama ini banyak mengendalikan sifat material melalui komposisi kimia. Penelitian ini menunjukkan bahwa pada material dua dimensi, geometri pun dapat menjadi alat untuk mengendalikan listrik.
Jika kelengkungan atom dapat direkayasa secara presisi, perangkat elektronik masa depan mungkin tidak hanya dirancang berdasarkan bahan apa yang digunakan, tetapi juga berdasarkan bagaimana setiap bagian bahan tersebut dilengkungkan. Pada skala manusia, kerutan mungkin hanyalah perubahan bentuk kecil. Pada skala atom, kerutan ternyata dapat mengubah cara elektron bergerak.
Referensi
[1] https://news.rice.edu/news/2026/rice-researchers-show-graphene-nanowrinkles-can-reshape-electricity, diakses pada 17 Agustus 2026
[2] Sathvik Ajay Iyengar, James G. McHugh, Jonathan P. Salvage, Robert Vajtai, Venkataramana Gadhamshetty, Alan B. Dalton, Manoj Tripathi, Pulickel M. Ajayan, Vincent Meunier. Sub‐Nanometer Curvature Unlocks Quantum Orbital Flexoelectricity in Graphene. Advanced Materials, 2026; DOI: 10.1002/adma.202518224
