14 Aplikasi Inovatif Nanoteknologi: Dari Obat hingga Bahan

Istilah 'nanoteknologi' pertama kali diciptakan oleh Profesor Norio Taniguchi pada tahun 1974. Dia sedang mendeskripsikan proses semikonduktor yang menunjukkan kontrol karakteristik pada skala nanometer.

Seberapa kecil satu nanometer? Rambut manusia memiliki lebar sekitar 50 mikrometer. Satu nanometer adalah 50.000 bagian dari lebar rambut.

Nanoteknologi modern dimulai pada tahun 1981 ketika ilmuwan mengembangkan mikroskop penjelajahan terowongan untuk 'melihat' atom individu.

Apa Itu Nanoteknologi?

Nanoteknologi adalah ilmu pengetahuan, teknologi, dan rekayasa yang dilakukan pada skala nano, antara 1 dan 100 nanometer. Ini bisa menjadi topik yang rumit dengan penemuan baru yang dibuat setiap hari.

Nanoteknologi dapat memberikan wawasan tak tertandingi tentang bahan dan peralatan, dan kemungkinan besar akan mempengaruhi berbagai bidang, termasuk fisika perangkat, ilmu material, kimia supramolekuler, ilmu koloida, dan rekayasa listrik serta mekanik.

Topik ini dapat lebih baik dijelaskan dengan memberikan penjelasan yang jelas dan ringkas tentang aplikasi nanoteknologi. Kami telah mencantumkan beberapa penggunaan nanoteknologi yang kurang populer dan keuntungannya, menunjukkan bagaimana mereka sebenarnya mempengaruhi kehidupan sehari-hari kita.

14. Nanoteknologi di Industri Pangan

Peran nanoteknologi di berbagai aspek sektor pangan | Credit: Frontiers

Selama dua dekade terakhir, aplikasi nanoteknologi telah muncul dengan kebutuhan yang semakin meningkat akan penggunaan nanopartikel di berbagai bidang mikrobiologi pangan dan ilmu pangan, termasuk pemrosesan pangan, kemasan, keamanan, identifikasi patogen bawaan pangan, dan perpanjangan usia simpan produk pangan.

Partikel nano yang direkayasa yang digunakan di industri pangan, misalnya, meminimalkan kebocoran karbon dioksida dalam minuman bersoda, mengurangi lemak, dan meningkatkan nilai gizi. Mereka juga menjaga keluarnya kelembaban dan mengontrol pertumbuhan bakteri untuk menjaga pangan tetap segar.

Teknik kemasan cerdas yang dikombinasikan dengan sensor skala nano memungkinkan deteksi pangan yang terkontaminasi dan keberadaan bakteri serta pestisida.

Hari ini, bahan aktif skala nano digunakan untuk meningkatkan rasa, tekstur, dan warna pangan. Nanopartikel dioksida titan, dioksida silikon, dan silika amorfa digunakan sebagai aditif pangan.

Di industri pangan, aplikasi komersial nanopartikel diharapkan akan tumbuh dengan tingkat yang signifikan karena properti unik dan baru mereka. Oleh karena itu, paparan manusia terhadap nanopartikel akan terus meningkat, dan dampak kesehatan yang terkait akan tetap menjadi perhatian utama masyarakat.

13. Komunikasi Molekuler

Mesin nano adalah perangkat yang berfungsi penuh yang dapat melakukan berbagai tugas seperti actuasi, penyensoran, penyimpanan data, dan komputasi. Untuk menjadi lebih efektif dan efisien, mesin ini harus saling terhubung dalam bentuk jaringan.

Komunikasi molekuler adalah paradigma dalam jaringan komunikasi nano, yang menggunakan molekül untuk komunikasi di antara mesin nano. Sistem ini menggunakan kehadiran atau kehadiran tipe molekül tertentu untuk mengenkode data secara digital.

Ini bekerja dengan mengirimi molekül ke dalam medium (seperti air atau udara) untuk transmisi. Sinyal komunikasi membutuhkan sedikit energi dan dapat dibuat biocompatible. Juga, teknik ini tidak bergantung pada antena berukuran tertentu.

Karena komunikasi molekuler terinspirasi dari komunikasi di antara bahan biologis, ia menawarkan berbagai aplikasi biomedis dan lingkungan.

Komunikasi Nano di dalam tubuh manusia, misalnya, dapat memiliki beberapa aplikasi kesehatan, seperti rekayasa jaringan, sistem kekebalan tubuh yang ditingkatkan, Antarmuka Mesin-Otak, dan pengiriman obat terarah.

Ilmuwan saat ini sedang mengerjakan model untuk komunikasi ujung-ke-ujung antara bio-mesin nano.

12. Menumbuhkan Sel Saraf

Image credit: Sebastian Kaulitzki/Shutterstock

Kemampuan untuk meregenerasi sel saraf di tubuh dapat secara signifikan mengurangi efek trauma dan penyakit. Ilmuwan sedang bekerja pada nanoteknologi untuk meningkatkan regenerasi sel saraf.

Mereka telah menunjukkan bagaimana nanopartikel magnetik dapat digunakan untuk menghasilkan tegangan mekanis untuk merangsang elongasi asson (atau serat saraf). Mereka juga telah mendeskripsikan bagaimana nanofibra yang rata dapat menyediakan matriks bioaktif di mana sel saraf dapat meregenerasi.

Beberapa studi telah membuktikan bahwa nanonawala karbon memfasilitasi pertumbuhan penuh neuron dan pembentukan sinaps baru. Namun, pertumbuhan ini tidak sembarangan dan tidak terbatas.

11. Panel Surya yang Lebih Baik

Seiring dengan meningkatnya minat global terhadap energi hijau, ilmuwan terus mempelajari cara untuk meningkatkan efisiensi sel surya. Selama beberapa tahun terakhir, beberapa kemajuan dalam nanoteknologi telah diintegrasikan ke dalam panel surya untuk meningkatkan efisiensi sambil menurunkan biaya manufaktur dan pemasangannya.

Nanopartikel silikon, khususnya, telah terbukti berguna: mereka memiliki densitas massa rendah, status permukaan aktif, dan karakteristik fotoluminesens unik. Oleh karena itu, nanopartikel ini juga digunakan dalam semikonduktor terintegrasi, perangkat tampilan luminesens, sel energi surya, dan baterai lithium-ion.

Kemajuan terbaru dalam sel surya berbasis grafin telah menghasilkan refleksi 20% lebih rendah dan setidaknya 40% lebih banyak konversi energi dibandingkan sel surya tradisional.

10. NanoArt

Sebuah nano-patung yang diciptakan oleh Jonty Hurwitz

Ilmuwan menjadi seniman, berkat 'NanoArt'. Ini adalah karya seni yang dilakukan pada skala molekuler dan atomik. Ini menggambarkan struktur nano alami atau sintetis yang diamati dengan mikroskop elektron di laboratorium.

Untuk menciptakan nanoart, ilmuwan pertama kali menganalisis tekstur molekul dan atom, menangkap gambar mikroskopik dari mereka, dan menyesuaikan gambar yang dihasilkan untuk menghasilkan karya seni yang unik. Salah satu tujuan seni seperti ini adalah untuk memperkenalkan orang dengan objek kecil yang berguna dan kemajuan dalam sintesisnya.

Pada tahun 2015, Jonty Hurwitz mengembangkan metode baru untuk menghasilkan patung nano menggunakan fotogrametri dan litografi multiphoton. Hurwitz adalah seniman kreatif yang kini dikenal karena bentuk manusia paling kecil yang pernah dibuat menggunakan nanoteknologi.

9. Diagnostik Medis dan Pengobatan

Metode diagnostik berbasis nanotek dapat memberikan dua manfaat utama –

• Pengujian cepat, yang mungkin memungkinkan dokter untuk melakukan tes diagnostik dan memulai pengobatan dalam sehari.
• Deteksi penyakit serius pada tahap awal, yang dapat membantu dokter menghentikan penyakit lebih awal, dengan kerusakan yang lebih sedikit pada pasien.

Misalnya, ilmuwan mengembangkan nanopartikel yang disebut NanoFlares untuk mendeteksi sel kanker dalam aliran darah. Nanopartikel ini dirancang untuk terikat dengan target genetik dalam sel kanker dan menghasilkan sinyal fluoresens ketika target tertentu itu ditemukan.

Contoh yang baik lainnya adalah sensor nanopora yang dapat mengidentifikasi partikel virus individu. Sensor nanopora yang dikombinasikan dengan teknik kecerdasan buatan mungkin menyediakan deteksi virus yang cepat, titik penggunaan.

Teknologi ini juga dapat digunakan untuk mengatasi infeksi: peneliti telah mengembangkan prototipe pemutang kateter yang menyisipkan nanopartikel heksametafosfat klorheksidin. Ini dapat menghambat pertumbuhan bakteri dan mengurangi kolonisasi luka. Di masa dekat, jenis molekul ini dapat digunakan dalam bahan perawatan luka untuk mengontrol infeksi.

8. Meningkatkan Ketersediaan Bahan Bakar

Nanoteknologi dapat mengatasi kekurangan bahan bakar fosil (bensin dan solar) dengan berbagai cara –

• Ini dapat meningkatkan jarak tempuh mesin.
• Ini dapat menghasilkan bahan bakar secara efisien dan ekonomis dari bahan baku konvensional.

Nanomaterial adalah kandidat yang luar biasa untuk berbagai sistem biobahan bakar karena properti uniknya seperti aktivitas katalitik, ketahanan, stabilitas, tingkat kristalinitas yang tinggi, dan penyimpanan yang efisien, yang secara kolektif dapat membantu mengoptimalkan sistem secara keseluruhan.

Nanoteknologi yang dikombinasikan dengan gasifikasi, pirolisis, pencernaan anaerobik, transesterifikasi, dan hidrogenasi telah terbukti ekonomis dan efisien, tetapi masih sebagian besar terbatas pada laboratorium dan skala kecil. Mereka segera (kemungkinan dalam tiga dekade mendatang) akan menggantikan sistem tradisional pada skala komersial.

Beberapa nano-katalis logam oksida, termasuk oksida kalsium, titan, oksida stronsium, dan oksida magnesium, telah dibuat dengan performa katalitik tinggi untuk menghasilkan biodiesel. Nano-katalis berbasis karbon juga memiliki potensi besar untuk produksi biodiesel dari berbagai bahan baku.

7. Tampilan dan Perangkat Optoelektronik

Quantum Dots dengan emisi yang bertahap dari ungu hingga merah tua | Wikimedia Commons

Nanowire silikon dan nanonawala karbon membuatnya mungkin untuk mengembangkan tampilan dengan konsumsi energi rendah. Karena struktur nano ini sangat konduktif, mereka dapat digunakan dalam tampilan emisi lapangan dengan efisiensi yang tak tertandingi.

Dalam OLED, nanomaterial dan teknik nanofabrikasi digunakan untuk memproduksi elektrode transparan dan memaketkan OLED untuk melindunginya dari kerusakan eksternal (seperti air). Ilmuwan telah berhasil mengembangkan beberapa nanometer grafin sebagai konduktif transparan, yang membuka jalan untuk OLED fleksibel yang murah.

Transistor emis cahaya organik (alternatif OLED) dapat membuka pintu baru dalam optoelektronik organik dan berfungsi sebagai uji coba untuk menyelesaikan masalah fotonik fundamental seperti pembusukan eksiton dan kehilangan foton.

Quantum Dots — partikel semikonduktor kecil berukuran beberapa nanometer — adalah elektro-aktif (elektroluminesens) dan foto-aktif (fotoluminesens). Sifat fisik uniknya menjadikannya bahan yang menjanjikan untuk tampilan generasi mendatang.

Dibandingkan OLED dan bahan luminesens organik, material berbasis quantum dots memiliki umur lebih lama, warna yang lebih murni, dan konsumsi daya serta biaya manufaktur yang lebih rendah.

6. Komputasi dan Penyimpanan Memori

Progresi proses manufaktur semikonduktor skala nanometer

Dengan nanoelektronika, prosesor komputer dapat dibuat lebih kuat daripada yang mungkin dengan metode pembuatan semikonduktor tradisional. Ilmuwan saat ini mempelajari sejumlah teknik — termasuk jenis litografi nano baru — dan cara menggunakan nanomaterial, seperti molekul kecil dan nanowire sebagai gantinya komponen konvensional CMOS.

Mereka telah dapat mengembangkan transistor efek lapangan menggunakan nanowire semikonduktor heterostruktur dan nanonawala karbon yang semiconductif.

Raksasa teknologi memulai produksi memori nanoelektronik pada awal tahun 2010. Pada tahun 2013, Samsung memproduksi memori flash NAND multi-level cell 10 nanometer. Pada tahun 2017, Taiwan Semiconductor Manufacturing Company memproduksi memori SRAM menggunakan proses 7 nanometer.

5. Nanosains Kuantum

Nanosains kuantum merujuk pada cabang ilmu fisika dan nanoteknologi yang menggunakan mekanika kuantum untuk menjelajahi efek kuantum kohesif dalam struktur nano yang direkayasa.

Dalam beberapa tahun terakhir, kuantum telah mendapatkan arti baru karena penelitian yang semakin meningkat menuju realizasi komputer kuantum. Hari ini, fenomena mekanika kuantum — seperti koherensi kuantum, superposisi, dan intanglement — direkayasa pada skala nano.

Aplikasi di bidang ini termasuk komputasi kuantum, simulator kuantum, komunikasi kuantum, dan penyensoran kuantum.

4. Smartphone dan Kendaraan Listrik Cepat Charging

Terakhir, upaya substansial telah difokuskan pada pengembangan material elektrode berstruktur nano, yang dapat meningkatkan sistem penyimpanan energi terkini seperti baterai lithium-ion.

Beberapa peneliti telah menemukan dikalkogenida logam transisi dua dimensi yang dapat digunakan sebagai superkapasitor. Material ini kecil dan memungkinkan transfer elektron yang lebih cepat, memungkinkan pengisian dan pengosongan daya yang lebih cepat. Ini dibuat dari kawat tebal nanometer dengan lapisan pelapis material 2D.

Ada banyak contoh seperti itu. Perusahaan berbasis Israel bernama StoreDot membangun nanomaterial, yang (dikombinasikan dengan senyawa organik miliknya) memiliki potensi untuk menjadi standar charging cepat ultimatif di berbagai industri, termasuk smartphone, kendaraan listrik, dan peralatan rumah tangga.

Kombinasi uniknya dari densitas energi dan charging cepat telah membuka pintu baru untuk baterai flash generasi mendatang. Menurut perusahaan, baterai smartphone mereka dan baterai flash kendaraan listrik (dibangun dengan senyawa organik nonterbakar) dapat diisi daya dalam 60 detik dan 5 menit (menyediakan jarak tempuh 300 mil), masing-masing.

3. Nanocoating dan Permukaan Berstruktur Nano

Nano-coating hidrofobik

Coating dengan ketebalan yang dikontrol pada skala atom atau nano telah menjadi umum saat ini. Aplikasi terbaru termasuk lapisan oksida nanopartikel yang secara katalitik menghancurkan agen kimia, dan jendela self-cleaning (dilapisi dioksida titan yang diaktifkan) yang direkayasa untuk antibakteri dan tahan air.

Lapisan perantara skala nano menyediakan perekatan yang superior dan pencocokan bertingkat properti termal dan elastis, sehingga meningkatkan adhesi. Lapisan jenis ini juga meningkatkan coating keras yang tahan aus dan goresan.

Selain itu, kontrol porositas yang ditingkatkan pada skala nano telah membuat tekstil jauh lebih baik: telah memungkinkan kain tahan air, bernapas, dan tahan noda.

2. Eksplorasi Antariksa

Credit: NASA

Nanoteknologi dapat membuat penerbangan luar angkasa lebih praktis. Kemajuan terbaru dalam nanomaterial telah membantu insinyur membuat pesawat angkasa ringan dan mengurangi jumlah bahan bakar yang diperlukan untuk mengirim roket ke luar angkasa.

Material baru yang dikombinasikan dengan nanorobot dan nanosensor dapat lebih meningkatkan performa ruang penyelam dan paket antarik. Ilmuwan menggunakan material berbasis nanonawala karbon untuk mengurangi beban pesawat angkasa sambil mempertahankan kekuatan strukturalnya.

Nanonawala karbon ini dapat mengaktifkan sel surya ringan yang menggunakan tekanan sinar matahari (cahaya yang memantul pada sel surya) untuk mendorong ruang penyelam. Ini menghemat lebih banyak bahan bakar selama misi interplanet. Selain itu, nanosensor papan dapat memantau tingkat kimia jejak di stasiun angkasa untuk menganalisis performa sistem dukungan kehidupan.

1. Kualitas Udara dan Air yang Lebih Baik

Nanoteknologi digunakan dalam dua cara utama untuk mengurangi polusi udara.

1. Katalis – saat ini digunakan dan rutin ditingkatkan.
2. Membran berstruktur nano – saat ini sedang dikembangkan.

Katalis yang terbuat dari nanopartikel digunakan untuk mengubah uap yang meluap dari pabrik industri dan kendaraan menjadi gas yang tidak berbahaya secara efektif.

Membran berstruktur nano, di sisi lain, dapat digunakan untuk memisahkan CO2 dari aliran buang pabrik industri. Tujuannya adalah mengembangkan teknologi yang dapat diterapkan di semua jenis pembangkit listrik tanpa perbaikan mahal.

Demikian pula, nanoteknologi juga digunakan untuk mengatasi tiga masalah utama dalam kualitas air.

1. Menghapus polusi air industri dari air tanah.
2. Menghapus garam atau logam dari air.
3. Meningkatkan filter standar untuk secara efektif menghilangkan sel virus.

Dalam kasus pertama, nanopartikel mengubah kimia kontaminan menjadi solusi yang tidak berbahaya. Ini adalah proses yang murah yang dapat digunakan untuk mencapai kontaminan yang tersebar di kolam bawah tanah.

Untuk masalah kedua, teknik deionisasi berdasarkan elektroda nanofiber menunjukkan janji untuk mengurangi kebutuhan energi dan biaya untuk mengubah air laut menjadi air minum. Dalam kasus ketiga, filter hanya beberapa nanometer lebar digunakan untuk menghapus sel virus dari air.