Download - Nanofiber Dan Aplikasinya
NANOFIBER, ELECTROSPINNING DAN APLIKASINYA
A. PENDAHULUAN
Memasuki abad ke-21 terjadi penemuan penting mengenai sifat-sifat dan
kinerja material pada skala nanometer atau sepersatu miliar meter (10-9 m), yang
ternyata memiliki keunikan dan keunggulan dibandingkan pada skala meter atau
bahkan mikro meter (10-6 m) seperti dikenal selama ini. Teknologi skala nano
disebut nanoteknologi telah mengubah paradigma dan cara pandang terhadap
teknologi karena material didesain dan disusun dalam orde atom peratom atau
molekul-permolekul, sehingga diperoleh suatu bahan yang memiliki sifat istimewa,
jauh mengungguli material yang ada sekarang ini.
Banyak bahan telah diteliti dalam rangka mencari bahan baru yang lebih
unggul bagi kehidupan manusia. Tulisan ini merupakan tinjauan (review) yang
menceritakan tentang nanofiber dan electrospinning, serta sifat-sifat dari produk
yang dihasilkannya. Electrospin adalah alat untuk membuat serat nano yang berasal
dari berbagai bahan organik sebagai polimer alam, polimer buatan, komposit dan
lain-lain. Diameter seratnya dapat dibuat sampai kehalusan serat dua nanometer
atau lebih besar bergantung dengan bahan yang digunakan. Nanofiber dan
electrospinning mempunyai peran yang sangat besar dalam menunjang
nanotechnology dan produknya karena sangat berguna sebagai tekstil pelindung,
ruang angkasa, kedokteran, farmasi, bedah tulang, kedokteran mata, elektronika,
militer, olah raga, otomotf, alat pertanian dan sebagainya. Bahan baru yang
berkualitas serta ramah lingkungan sangat diperlukan untuk memenuhi kebutuhan
kehidupan manusia masa depan.
Nanotechnology merupakan teknologi yang bertujuan mengendalikan molekul
atau atom individu untuk menciptakan bahan dan peralatan yang beribu kali lebih
kecil dibanding kondisi teknologi sebelumnya. Satu nanometer (nm) adalah 10-9
meter, sebagai perbandingan dari jarak karbon C60 adalah sekitar 12-15 nm, dan
DNA double-helix mempunyai diameter sekitar 2 nm. Kita dapat membayangkan
bakteri Mycoplasma, ukuran lebarnya sekitar 200 nm, Mikrokristal antara 2 – 500
nanometer.
[email protected] Hal 1
Hingga saat ini, pembuatan struktur nano satu dimensi, seperti nanofiber,
nanorod, nanobelt dan nanotube dengan menggunakan berbagai jenis material dan
berbagai teknik sudah banyak dilakukan oleh para peneliti. Hasil penelitannya
menunjukkan karakteristik unik yang brebeda-beda dengan keunggulannya.
B. SIFAT NANOFIBER
Saat ini nanofiber adalah salah satu hasil temuan yang tengah mendapat
perhatian khusus karena potensi pemanfaatannya yang begitu luas pada berbagai
bidang. Serat nano atau nanofiber adalah serat yang mempunyai diameter kurang
dari 100 nanometer (1 nm = 10-9 meter). Serat nano mempunyai sifat yang sangat
khas, yaitu sangat kuat, rasio permukaan terhadap volume yang besar, dan porous.
Sifat-sifat tersebut membuat serat nano menjadi bahan yang sangat menjanjikan
untuk dimanfaatkan pada berbagai bidang industri, seperti industri komposit,
otomotif, pulp dan kertas, elektronik, tekstil, optik, pertanian, kosmetik, kesehatan,
kedokteran, olah raga, farmasi, dan lain-lain.
Dalam dunia perdagangan serat nano adalah serat yang lebih kecil dari serat
mikro, yaitu serat yang mempunyai diameter kurang dari 0,5 mikron atau kurang
dari 500 nanometer, sedangkan serat yang telah diproduksi dan diperdagangkan
mempunyai diameter antara 50 sampai 300 nanometer. Serat nano akhir-akhir ini
mulai popular terutama digunakan untuk teknologi nano dan dibuat dalam bentuk
nonwoven (web) sehingga pembuatannya tidak melalui proses penenunan (weaving)
atau perajutan (knitting).
Pengamatan morfologi dan permukaan serat berskala nano diperlukan
ketelitian yang sangat tinggi. Pengamatan morfologi dapat dilakukan menggunakan
AFM (Atomic Force Microscope). Gambar 1 menunjukkan ukuran beberapa
nanofiber yang jauh lebih kecil dibandingkan dengan rambut manusia. Gambar 2
menunjukkan ukuran partikel serbuk sari dibandingkan dengan nanofiber. Modulus
elastis dari polimer nanofiber ukuran 350 nm ditemukan 1,0 ± 0,2 GPa. Kekuatan
serat sangat dipengaruhi oleh ukuran diameter serat, kadar selulosa, dan kadar
lignin. Semakin besar diameter serat, maka semakin rendah nilai kekuatan tarik
(tensile strength) dan modulus elastisitas (modulus of elasticity / MOE), demikian
pula sebaliknya.
[email protected] Hal 2
Gambar 1. Perbandingan antara rambut manusia dengan jaringan nanofiber
Gambar 2. Serbuk sari dalam spora dengan nanofiber
Konstruksi komposit nanofiber
Nanofiber yang diterapkan adalah material nilon SB ukuran 0,6 ons per meter
persegi (osy) dengan nilon SB 1,0 osy seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
Gambar 3. Impregnasi nanofiber ke lapisan spunbond
Lalu dua lapisan diatas dilaminasi bersama-sama. Gambar 4 menunjukkan
perbedaan jenis tiga serat komposit nanofiber yang dirancang dengan mengubah
ketebalan dan berat kain.
[email protected] Hal 3
Gambar 4. Macam-macam pilihan komposit nanofiber
Kinerja dan daya tahan struktur komposit tergantung pada arsitektur kain yang
dihasilkan. Arsitektur kain akhir nanofiber seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5
ada dua jenis dua konstruksinya yaitu:
1. Lapisan nanofiber/SB berada di antara lapisan kulit terluar dan lapisan kain
hasil filtrasi kimia.
2. Lapisan nanofiber/SB berada di atas kain diresapi shell dan mengapung bebas
terhadap lapisan filtrasi kimia.
Gambar 5. Desain nanofiber kain komposit
Polimer komposit nanofiber ini dapat memberikan perlindungan terhadap
tetesan mikro bahan kimia, aerosol biologi, saluran radioaktif, dan lain-lain.
C. PROSES ELECTROSPINNING
Pembuatan nanofiber dapat dilakukan dengan berbagai cara. Pertama, dengan
cara drawing, yaitu teknik pembuatan nanofiber dengan menyentuhkan mikropipet
pada droplet dan menariknya. Kedua, dengan cara template synthesis, yaitu
pembuatan nanofiber dengan menekan larutan polimer pada celah membran yang
kecil untuk menghasilkan nanofiber. Ketiga, dengan cara elektrospinning, yaitu
[email protected] Hal 4
pembuatan nanofiber dengan memberi muatan pada larutan polimer yang kemudian
dijatuhkan dari pipet di dalam daerah bermuatan listrik tinggi.
Pemintalan elektrik (electrospinning) adalah sebuah metoda untuk membuat
serat (fiber) dengan diameter 10 μm - 10 nm. Serat nano (nanofiber) hasil
pemintalan elektrik memiliki karakteristik yang menarik dan unik, seperti: luas
permukaan yang lebih besar dari volume, memiliki sifat kimiawi, konduktivitas,
dan sifat optik tertentu. Teknik pemintalan elektrik adalah proses yang relatif cepat,
sederhana, dan murah dalam menghasilkan nanofiber. Keunggulan lain dari teknik
ini adalah dapat menghasilkan nanofiber yang cukup panjang (kontinu). Namun
saat ini tingkat produksi dari proses ini adalah rendah dan diukur dalam gram per
jam.
(6 a)
Gambar 6. Electrospun (a) dan skema sistem kerja electrospinning (b)
(Sumber : Zubaidi, 2009 )
[email protected] Hal 5
Alat yang digunakan untuk pemintalan elektrik disebut electrospun. Gambar 6a
menunjukan contoh alat electrospun dan skematis sistem kerja electrospinning 6b.
Electrospun adalah alat yang digunakan untuk membuat serat nano. Dengan alat
tersebut kita dapat membuat serat dengan diameter antara 2 nm sampai 50 nm.
Pemintalan elektrik menggunakan prekusor berupa larutan polimer yang disiapkan
pada tabung semprot (syringe) dengan kecepatan penyemprotan yang dapat diatur
oleh pompa secara konstan (metering pump). Lalu larutan tersebut dilewatkan
melalui sebuah nozzle/ lubang spinnered (Jet) dengan ujung kecil dan ditarik
dengan medan listrik tegangan arus searah (direct current/DC) yang berkekuatan
sekitar 30 kVA seperti ditunjukkan pada Gambar 6b. Larutan pada ujung nozzle
ditarik oleh medan listrik berbentuk droplet/jet karena pengaruh tegangan
permukaan. Jet tersebut bergerak menuju kolektor dan pada bagian ini serat nano
terkumpul. Kolektor tersebut dapat berbentuk bidang datar atau dalam bentuk
silinder yang dapat berputar secara konstan seperti yang ada pada Lab Balai Besar
Tekstil, Bandung.
Jarak antara nosel pemintal dan kolektor umumnya bervariasi dari 15 – 30 cm.
Proses ini dapat dilakukan pada suhu kamar kecuali diperlukan panas untuk
menjaga polimer dalam keadaan cair. Sifat akhir serat tergantung pada jenis
polimer dan kondisi operasi. Kehalusan serat dapat diatur dari diameter sepuluh
sampai seribu nanometer.
Gambar 6 diatas dapat menjelaskan tentang prinsip kerja electrospinning dalam
menghasilkan kain nonwoven yang terdiri dari serat-serat berukuran nano (lebih
kecil dari mikron) dan ditampung pada bidang datar (collector screen). Cara
membuat serat nano ialah: bahan polimer dilarutkan pada pelarut yang sesuai.
Selanjutnya, polimer yang sudah dilarutkan dipintal menggunakan alat electrospun.
Tabel 1 adalah contoh beberapa polimer dan pelarutnya yang dapat digunakan.
Tabel 1. Polimer dan pelarut polimer yang digunakan untuk electrospinning.
No Polimer Pelarut1 Nilon 6, Nilon 66 Asam formiat2 Poliakrilonitril Dimetil formaldehida3 PET Asam trifloro asetat/ Dimetil klorida4 PVA Air
[email protected] Hal 6
5 Polystiren DMF/ Toluena6 Nilon-6-co-poliamida Asam formiat7 Polibenzimidazol Dimetil asetanda8 Poliramida Asam sulfat9 Poliimida Fenol
D. APLIKASI NANOFIBER
Serat nano (nanofiber) dan electrospinning merupakan material dan teknologi
yang sangat penting untuk menunjang perkembangan nanoteknologi pada berbagai
bidang produk industri, seperti di bidang elektronik, kedokteran, farmasi,
konstruksi, industri makanan, tekstil, keramik dan lain-lain.
Bahan nanofiber memiliki aplikasi seperti dalam bidang kesehatan, filtrasi,
penghalang, tisu, perawatan pribadi, komposit, pakaian, isolasi, dan penyimpanan
energi. Sifat khusus dari nanofiber membuat mereka cocok untuk berbagai macam
aplikasi dalam bidang medis sebagai produk konsumen dan aplikasi industri
teknologi tinggi untuk ruang angkasa, kapasitor, transistor, sistem pengiriman obat,
pemisah baterai, penyimpanan energi, sel bahan bakar, dan teknologi informasi.
Di bawah ini akan dijabarkan beberapa aplikasi nanofiber dalam berbagai
bidang diantaranya tekstil ruang angkasa, nanodefend, kedokteran dan farmasi,
olahraga, pertanian dan filtrasi.
1. Tekstil Ruang Angkasa
Penelitian pakaian ruang angkasa yang didukung oleh National
Aeronautics Space Administration (NASA), Institute for Advanced Concep
diantaranya berupa nano nonwoven sebagai membran hasil teknik
electrospinning. Penelitian pakaian yang menggunakan serat nano dapat
berfungsi sebagai second skin. Lapisan tersebut akan memberikan perlindungan
terhadap berbagai pengaruh di lingkungan planet dan ruang angkasa seperti
lapisan tahan api, tahan kimia, dan pengaruh cuaca lingkungan. Second skin
memanfaatkan muatan listrik untuk meningkatkan daya tahan tubuh dan
memperbaiki stamina. Pelapisan (coating) menggunakan electrospinning juga
dapat digunakan untuk melapisi tekstil pelindung untuk pengiriman barang
ruang angkasa yang memerlukan pelindung kedap udara sehingga terhindar dari
pengaruh lingkungan debu, panas, dingin dan kelembaban.
[email protected] Hal 7
2. Nanodefend
Nanodefend adalah pakaian keamanan yang ditujukan untuk mencegah
terjadinya serangan mikro organisme maupun bahan berbahaya. Dokter Baker
telah mendirikan nanobio untuk mengembangkan krim yang dapat memasuki
dan membunuh mikroba penginfeksi dan spora jamur dari spora anthrax sampai
virus flu. Dalam bidang militer nanodefend berfungsi sebagai pakaian yang
dapat mendekontaminasi terhadap anthrax, ebola, atau smallpox dan senjata
kimia.
Sebuah perusahaan bioteknologi sedang berusaha mengembangkan
fullerenes atau buckyball, yaitu sebuah benda berstruktur molekul dengan skala
60 atom yang diharapkan dapat mematikan virus HIV maupun kanker. Polimer
nanofiber dari komposit dapat meningkatkan perlindungan terhadap tetesan
bahan kimia, biological aerosol, dan saluran radioaktif. Nanofiber dalam bentuk
web yang mempunyai ukuran tertentu dapat menahan sekaligus mengatur air dan
udara sehingga dapat digunakan sebagai pakaian pelindung panas secara
nyaman. Ukuran pori-pori yang dapat diatur pada waktu pembuatannya akan
menghasilkan sifat permeabilitas yang diinginkan.
3. Kedokteran dan farmasi
Serat nano (nanofiber) dari bahan kolagen, alginate, vibroin dan
sebagainya sangat membantu dalam menciptakan bahan generasi organ manusia,
pencangkokan tulang dan berbagai keperluan farmasi. Selain itu juga
dimanfaatkan sebagai obat dan pengiriman gen, pembuluh darah buatan, organ
buatan, dan masker medis. Misalnya, serat karbon nanotube berongga yang
lebih kecil dari sel-sel darah berpotensi untuk membawa obat menuju sel-sel
darah. Gambar 7 memperlihatkan perbandingan sel darah dengan nanofiber.
Gambar 7. Perbandingan ukuran sel darah manusia dengan nanofiber
[email protected] Hal 8
Nanofiber dan web bisa digunakan sebagai obat langsung ke jaringan
internal. Bahan anti adhesi yang terbuat dari selulosa sudah tersedia dari
perusahaan Johnson & Johnson dan Genzyme Corporation. Para peneliti telah
memintal serat dari senyawa alami dalam darah. Nanofiber ini dapat digunakan
varietas aplikasi medis seperti perban atau jahitan yang pada akhirnya terserap
dalam tubuh. Nanofiber ini meminimalkan tingkat infeksi, kehilangan darah dan
dapat diserap oleh tubuh.
4. Olahraga
Nanotex sebuah pabrik tekstil di Greensboro, Nort Karolina sedang
mengembangkan pakaian aktif yang dapat menghamburkan dan mengeringkan
keringat. Selain itu juga membuat produk kaos kaki, Tshirt dan pakaian dalam
yang bisa menyerap bau badan.
5. Pertanian
Dalam industri pertanian nanofiber dan teknologi nano akan sangat
bermanfaat untuk melakukan sensor dan pengontrolan pertanian modern seperti
tanaman hidrofonik. Pengontrolan produk, biosecurity, memerlukan peralatan
yang sangat peka. Sangat sering terjadi bahan makanan yang mengandung
bakteri dan virus sering menimbulkan penyakit yang dapat berakibat fatal.
Biosensor akan dapat mendeteksi perubahan sel dan molekul yang dapat
digunakan untuk mengidentifikasi adanya bahan berbahaya mekipun
kandungannya sangat kecil.
6. Filtrasi
Nanofiber memiliki aplikasi signifikan di bidang filtrasi karena daerah
permukaan mereka secara substansial lebih besar dan memiliki pori lebih kecil
dari jaring melt blown (MB). Struktur berpori tinggi dengan luas permukaan
yang tinggi membuat mereka ideal untuk banyak aplikasi filtrasi. Nanofiber
secara ideal cocok untuk menyaring partikel submikron dari udara atau air.
Serat electrospun memiliki diameter tiga kali lebih lebih daripada serat
MB. Hal ini menyebabkan peningkatan di daerah permukaan dan penurunan
volume. Tabel 2 menunjukkan area permukaan serat per massa bahan nanofiber
dibandingkan dengan MB dan serat SB.
[email protected] Hal 9
Nanofiber yang dikombinasikan dengan produk bukan tenunan lainnya
berpotensi dalam berbagai aplikasi filtrasi seperti filter aerosol, masker, dan
pakaian pelindung. Saat ini, kain militer dalam pengembangan dengan
rancangan sebagai perlindungan kimia dan biologi menggunakan lapisan
laminating nanofiber antara body side layer dan serat karbon.
Tabel 2. Luas permukaan serat per massa bahan serat untuk ukuran serat yang
berbeda
Jenis serat Ukuran serat (µm)Luas permukaan serat per massa dari material
serat (m2/g)
Nanofiber 0.05 80
Spunbond fiber 20 0.2
Melt blown fiber 2.0 2
E-Spin Technologies, Inc telah menghasilkan prototipe web nanofiber
karbon aktif. Jaringan tersebut distabilkan, dikarbonisasi, dan diaktifkan.
Nanofiber yang diaktifkan ini memberikan hasil yang sangat baik untuk aerosol
dan filtrasi kimia.
E. TANTANGAN DALAM NANOFIBER
Proses pembuatan nanofiber cukup mahal dibandingkan dengan serat
konvensional karena tingkat produksi rendah dan biaya teknologi tinggi. Selain itu
electrospinning web memancarkan uap dan solusi sementara adalah dengan
memulihkan atau dibuang secara ramah lingkungan. Ini melibatkan peralatan
tambahan dan biaya. Kehalusan serat dan uap yang menguap juga menimbulkan
keprihatinan atas bahaya kesehatan karena inhalasi serat. Dengan demikian
tantangan yang dihadapi dapat dikelompokkan pada berbagai bidang diantaranya
ekonomi, bahaya kesehatan, pelarut uap dan penanganan pengiriman kemasan.
Karena kualitas yang luar biasa dari bahan nanofiber, sehingga ada upaya
berkelanjutan untuk menangani agar terjadi keseimbangan antara keuntungan dan
biaya produksi.
[email protected] Hal 10