Nanotubos Karbon: Memperkenalkan Bahan Super Kuat dan Super Ringan

Apa yang 100 kali lebih kuat dari besi, namun lebih ringan dari aluminium? Nanotubos karbon adalah salah satu bahan terkuat yang pernah ditemukan, namun insinyur baru saja mulai membuka potensi penuhnya.

Nanotubos karbon adalah alotrop karbon, yang berarti mereka adalah salah satu dari beberapa susunan atom yang mungkin diambil oleh karbon. Di alam, karbon murni ditemukan dalam bentuk grafit, padatan lunak bersisik, atau berlian, yang transparan dan bahan paling keras yang secara alami terjadi.

Nanotubos karbon lebih dekat dengan grafit daripada berlian. Meskipun grafit sangat lunak, ia dibangun dari lapisan atom karbon yang tersusun dalam lembaran tebal satu atom. Lembaran individual ini disebut grafen, dan nanotubos karbon adalah apa yang akan Anda dapatkan dari menggulung lembaran grafen menjadi bentuk tabung.

Grafen adalah bahan yang luar biasa dalam haknya sendiri. Seperti nanotubos karbon, ia sangat kuat. Hadiah Nobel Fisika 2010 diberikan kepada tim yang pertama kali mengisolasi lembaran grafen, dan grafen begitu kuat sehingga, dalam teori, lembaran grafen yang berat sekitar satu miligram dapat menahan seekor kucing.

“Hammock kucing” hipotetik ini akan tebal hanya satu atom dan tidak terlihat sama sekali oleh mata manusia. Nanotubos terbentuk dari satu atau lebih lapisan grafen yang disusun menjadi tabung dan juga sangat kuat.

Saat ini, nanotubos karbon terutama digunakan untuk meningkatkan properti komposit polimer. Nanotubos karbon dapat menawarkan serangkaian properti yang bermanfaat:

• Kekuatan sangat tinggi
• Rasio kekuatan terhadap bobot yang tinggi
• Konduktivitas listrik yang tinggi
• Konduktivitas termal yang tinggi

Properti Nanotubos Karbon

Ketika dibandingkan dengan bahan penguat lainnya, nanotubos karbon jauh lebih kuat dari serat lain yang digunakan dalam komposit polimer diperkuat serat. Penelitian terbaru juga difokuskan pada pengembangan polimer fungsional bertingkat, di mana nanotubos karbon didistribusikan secara strategis dalam struktur polimer untuk memberinya properti mekanik khusus.

Nanotubos karbon juga menawarkan konduktivitas listrik dan termal yang baik, yang membuatnya berguna dalam aplikasi kemasan elektronik atau sebagai aditif pada polimer dan lem untuk membuatnya konduktif. Tradisional, logam adalah bahan utama yang digunakan sebagai konduktor listrik dan termal dalam elektronika karena polimer dan keramik menawarkan konduktivitas listrik dan termal yang buruk dibandingkan.

Namun, dengan menambahkan nanotubos karbon, beberapa polimer dapat dibuat konduktif, yang membuka kemungkinan baru untuk manufaktur elektronik yang lebih cepat, lebih hemat biaya.

Komposit Diperkuat Nanotubos Karbon

Jika grafen dan nanotubos karbon begitu luar biasa kuat, mengapa kita tidak menggunakannya dalam segala sesuatu? Bagian dengan kekuatan yang sebanding dengan grafen atau nanotubos karbon akan praktis tidak dapat dihancurkan dibandingkan dengan bahan lain.

Untuk memahami tantangan dalam memanfaatkan kekuatan luar biasa dari nanotubos karbon dan grafen, kita dapat melihat alasan mengapa grafit lunak. Lembaran grafen individual sangat kuat, tetapi grafit lunak karena ikatan antara lembaran grafen lemah.

Nanotubos karbon individual adalah salah satu bahan terkuat yang pernah ditemukan, namun mereka harus dihubungkan bersama-sama agar kekuatannya berguna.

Ini adalah alasan nanotubos karbon sering digunakan sebagai aditif dalam bahan lain, biasanya polimer, untuk meningkatkan propertinya. Nanotubos karbon menambahkan kekuatan dan bahan “matriks” tempat mereka dispersi mempertahankan semuanya. Namun ini meninggalkan pertanyaan: Mengapa nanotubos karbon yang kecil ini jauh lebih kuat dari bahan massal? Mereka kuat karena mereka kecil.

Nanomaterial Super Kuat

Kunci kekuatan nanotubos karbon terletak pada fakta bahwa mendekati kekuatan teoretis karbon karena ukuran kecilnya. Kekuatan teoretis suatu bahan adalah stres yang diperlukan untuk memecah kristal sempurna bebas dari cacat apa pun.

Misalnya, kekuatan teoretis besi murni adalah 31,8 GPa, sementara besi massal memiliki kekuatan dalam rentang 270-740 MPa, kurang dari 2,5% dari kekuatan teoretis. Ini karena cacat kecil yang dikenal sebagai dislokasi membuat besi massal rentan terhadap deformasi plastik dan kegagalan pada stres yang lebih rendah dibandingkan kristal bebas cacat hipotetik.

Bahan massal tidak pernah mendekati kekuatan teoretisnya karena, bahkan dengan pengolahan yang sangat hati-hati, bahan skala besar secara tak terhindarkan akhirnya memiliki cacat mikrostruktur yang mengurangi kekuatannya. Ini juga alasan mengapa, sayangnya, manusia kemungkinan besar tidak akan pernah membuat lembaran grafen yang besar dan sempurna seperti hammock kucing grafen tebal satu atom yang dijelaskan dalam upacara pemberian Hadiah Nobel 2010.

Lembaran besar seperti itu pasti akan mengandung cacat yang akan mengurangi kekuatannya, dan kucing akan merobek hammock. Oleh karena itu, pengolahan sebagian besar bahan massal difokuskan pada membatasi efek cacat mikrostruktur daripada menghapus cacat sepenuhnya. Menciptakan jumlah besar bahan sepenuhnya bebas cacat secara praktis tidak mungkin dengan teknologi saat ini.

Menyintesis bahan bebas cacat jauh lebih possible jika volume bahan sangat, sangat kecil. Dengan kata sederhana, jumlah bahan yang sangat kecil secara statistik lebih sedikit mungkin mengandung cacat dibandingkan yang besar, dan volume bahan yang kecil lebih mudah dibuat oleh proses pertumbuhan kimia yang memperkenalkan sedikit cacat.

Oleh karena itu, mungkin untuk menciptakan jumlah besar nanotubos bebas cacat, tetapi tidak mungkin untuk menciptakan potongan monolitik besar bahan bebas cacat. Nanotubos karbon super kuat karena mereka super kecil yang memungkinkan mereka untuk bebas cacat.

Penting juga untuk diingat bahwa kekuatan bahan diukur dengan membagi gaya yang diperlukan untuk memecah spesimen dengan luas penampang spesimen tersebut, menghasilkan satuan seperti megapascal (MPa) yang setara dengan satu newton per milimeter persegi (N/mm2). Oleh karena itu, pengukuran kekuatan secara otomatis menyesuaikan jumlah bahan dalam spesimen, dan akibatnya, kita dapat membandingkan kekuatan batang besi berdiameter 1 cm dengan nanotubos karbon berdiameter 1 µm.

Nanotubos yang kecil ini jauh lebih mungkin sepenuhnya bebas cacat, dan oleh karena itu sangat kuat. Namun untuk menggumpalkan cukup banyak nanotubos untuk menciptakan bagian dengan ukuran yang sama dengan batang besi, kita harus menciptakan komposit diperkuat serat.

Ukuran kecilnya, dan akibatnya kekurangan cacat adalah apa yang membuat nanotubos karbon sebagai nanomaterial super kuat, dengan nanotubos multi-dinding individual yang memiliki kekuatan terlapor 11 – 63 GPa, yang mendekati kekuatan teoretis karbon sebesar 156,0 GPa. Bahan lain juga dapat dibuat menjadi “whisker” ultra kecil, bebas cacat, termasuk besi, yang memiliki kekuatan terlapor 13 GPa dalam bentuk whisker nano, nilai yang jauh lebih dekat dengan kekuatan teoretis besi dibandingkan besi massal.

Banyak bahan lain telah disintesis dalam bentuk nanotubos, nanowire, atau whisker dalam kondisi laboratorium, tetapi nanotubos karbon adalah salah satu dari beberapa nanomaterial super kuat yang tersedia dalam kuantitas komersial dari pemasok seperti Goodfellow.

Kesimpulan

Nanotubos karbon adalah salah satu bahan terkuat yang pernah ditemukan karena ukuran sangat kecilnya memungkinkan mereka bebas cacat dan mendekati mencapai kekuatan teoretis karbon. Inilah mengapa nanotubos karbon paling umum digunakan untuk meningkatkan properti bahan lain, seperti saat ditambahkan ke matriks polimer untuk meningkatkan kekuatan, konduktivitas listrik, dan konduktivitas termalnya.

Kekuatan nanotubos karbon melebihi serat lain yang umum digunakan dalam komposit diperkuat serat dengan urutan magnitude. Konduktivitas listrik dan termal yang baik dari nanotubos karbon juga memungkinkan penciptaan polimer konduktif untuk aplikasi elektronik di mana logam tradisional digunakan.