Tahun 2010, nobel fisika diberikan kepada Andre Geim dan Konstantin Novoselov. Keduanya adalah profesor fisika dari University of Manchester, Inggris. Penghargaan nobel ini diberikan atas keberhasilan mereka untuk pertama kalinya memisahkan selembar tipis lapisan karbon dari grafit. Lapisan tipis karbon ini disebut graphene.
Graphene adalah salah satu jenis material baru yang terdiri atas atom-atom karbon dengan bentuk konfigurasi kisi yang datar, dengan jarak antar atom-atom karbon sebesar 0,142 nm. Konfigurasi ini menyerupai struktur sarang lebah dengan ketebalan yang sangat kecil, yaitu dalam orde ukuran atom. Sedemikian tipisnya lapisan graphene ini sehingga merupakan salah satu contoh dari material berdimensi dua. Dibandingkan dengan grafit dengan ketebalan 1 mm, graphene tentu jauh lebih tipis.
Dapat dibayangkan, dalam 1 mm grafit, terdapat sekitar tiga ribu lapisan graphene yang menyusun grafit tersebut.
Sebagai sebuah material yang benar-benar baru, graphene tidak hanya luar biasa dalam hal ketipisannya, tetapi juga kekuatan yang dimilikinya. Graphene memiliki daya tahan terhadap tekanan sebesar 42 N/m. Jika dibandingkan dengan kekuatan baja yang memiliki kekuatan terhadap tekanan berkisar antara 0,25 – 1,2 x 109 N/m2 (jika kita anggap terdapat baja dengan ketebalan yang sama dengan ketebalan graphene, maka kekuatan baja tersebut setara dengan 0,084 – 0,40 N/m) maka graphene 100 kali lebih kuat daripada baja yang paling kuat sekalipun!
Graphene merupakan material yang bersifat konduktor listrik (dapat menghantarkan listrik), dengan konduktivitas yang sama dengan konduktivitas tembaga. Selain itu, juga bersifat sebagai konduktor panas, dengan kemampuan konduksi yang berada di atas material-material lainnya yang telah dikenal. Graphene juga bersifat transparan meskipun tetap memiliki kerapatan yang cukup tinggi, yaitu sebesar 0,77 mg/m2.
Pensil, Kertas dan pita perekat
Keberadaan struktur karbon seperti graphene sebenarnya telah diprediksi sejak dulu, khususnya pada tahun 1960-an. Tetapi para peneliti ketika itu mengalami kesulitan dalam mengisolasi lapisan tunggal karbon dua dimensi ini. Bahkan para ilmuwan pada masa itu meragukan bahwa pemisahalan lembaran tunggal itu dapat dilakukan. Mereka percaya bahwa memisahkan lembaran tipis graphene dari grafit tidak mungkin dilakukan sebab lapisan tipis itu akan segera mengerut atau melengkung pada temperatur ruang. Bahkan kemungkinan besar struktur karbon lapisan itu akan runtuh dan menghilang.
Padahal, ditinjau dari bahan dasar untuk mendapatkan lembaran graphene ini, sangat mudah didapat. Grafit merupakan bahan yang terdapat dalam sebuah pinsil! Bahkan bagi kita yang pernah menggunakan pensil saat menulis mungkin saja telah menghasilkan lapisan graphene tanpa kita sadari pada lembaran kertas yang kita tulisi.
Pemisahan graphene dari grafit serta analisis sifat-sifatnya untuk pertama kali dilakukan oleh Andre Geim dan Konstantin Novoselov. Geim dan Novoselov menggunakan pita perekat untuk melepas selembaran tipis karbon dari sebuah grafit dengan cara yang lebih metodis. Dari proses ini, pada awalnya mereka memperoleh lembaran-lembaran yang masih mengandung banyak lapisan-lapisan graphene, tetapi dengan mengulang-ulangi prosedur tersebut sebanyak sepuluh sampa dua puluh kali, akhirnya diperoleh lambaran yang semakin tipis.
Langkah berikutnya dalam upaya menganalisis lapisan graphene ini adalah mengambil fragmen kecil graphene di antara lapisan-lapisan tipis grafit dan sisa-sisa karbon lainnya yang telah mereka peroleh.
Untuk dapat menganalisis sifat-sifat material hasil pemisahan mereka dengan cermat, kedua ilmuwan dari Manchester ini melekatkan lembaran-lembaran graphene yang mereka peroleh pada pelat silikon teroksidasi, sebuah pelat material kerja standar dalam industri semikonduktor.
Saat pelat itu diamati di bawah mikroskop standar, maka akan tampak pelangi warna seperti yang terlihat jika lapisan minyak tumpah di atas air. Dari pengamatan warna-warna ini, mereka kemudian menentukan jumlah lembaran graphenee yang terkandung dalam lapisan tersebut. Dari pengamatan ini juga mereka dapat memprediksi ketebalan lapisan yang terdapat pada dioksida silikon ini yang pada gilirannya sangat penting dalam mengungkap keberadaan graphenee.
Pada pengamatan di bawah mikroskop, graphenee tampak berupa material kristaline berdimensi dua pada suhu kamar. Graphenee memperlihatkan struktur jaringan karbon yang benar-benar teratur dalam dua dimensi, yaitu dimensi panjang dan lebar. Unit dasar struktur ini hanya terdiri atas enam atom karbon yang saling bergabung secara kimiawi. Graphenee, seperti halnya bentuk-bentuk lain dari karbon yang kita ketahui, tersusun atas jutaan atom-atom karbon yang bersama-sama membentuk pola heksagonal.
Sebuah lembaran graphene. Jika lembaran graphene ini dibentuk menjadi bangun ruang bola maka akan diperoleh struktur fullerene. Jika lembaran grapene ini dibuat menjadi seperti bentuk tabung, maka diperoleh struktur nanotubes.
Sifat-sifat Menarik dari Graphene dan Potensi Penerapannya
Dari hasil pekerjaan Andre Geim dan Konstantin Novoselov, mereka dapat diamati dua karakteristik yang sangat penting yang dimiliki oleh graphenee, yang keduanya sangat mempengaruhi sifat-sifat listriknya.
Karakteristik yang pertama adalah keteraturan susunan struktur atom karbon yang membentuk graphene hampir sempurna. Keteraturan atom-atom yang sangat tinggi ini, bahkan tanpa cacat, timbul sebagai akibat ikatan atom-atom karbon yang kuat. Dan di saat yang bersamaan ikatan ini juga sangat fleksibel yang memungkinkan jaringannya dapat meregang hingga 20% dari ukuran awalnya. Kisi-kisinya juga memungkinkan elektron untuk dapat menempuh jarak yang jauh dalam graphenee tanpa gangguan. Pada konduktor yang normal, elektron biasanya mengalami pantulan berkali-kali selama gerakannya. Pantulan ini melemahkan daya kerja konduktor. Hal ini tidak terjadi pada graphenee.
Ciri-ciri unik lainnya dari graphenee adalah elektron-elektronnya berperilaku sebagai partikel cahaya, foton-foton tanpa massa, yang dalam keadaan vakum dapat bergerak dengan kecepatan 300 juta meter per sekon. Hal yang sama terjadi pada electron dalam graphenee karena tdak memiliki massa dan bergerak dengan kecepatan yang konstan sebesar satu juta meter per sekon. Sifat ini membuka peluang bagi para ilmuwan untuk dapat mempelajari fenomena-fenomena tertentu secara mudah pada skala kecil tanpa menggunakan akselerator partikel yang besar.
Dengan sifatnya yang transparan (hampir 98%) sementara graphenee mampu menghantarkan arus listrik, maka material ini sangat berpeluang untuk diaplikasikan pada pembuatan lapisan sentuh yang transparan, panel listrik, dan bahkan sel surya. Bahan plastik malahan dapat dibuat bersifat menghantar hanya dengan mencampurkan 1 % graphene ke dalamnya. Dengan pencampuran graphene ini juga, resistansi panas plastik akan meningkat sampai 30oC bersamaan dengan peningkatan kekuatan mekanisnya. Hal ini memberi peluang untuk menghasilkan material baru yang sangat kuat, tipis, elastis, dan tembus pandang.
Graphene juga memungkinkan para fisikawan untuk dapat memeriksa sejumlah fenomena-fenomena menarik dalam fisika kuantum yang hingga sekarang hanya bisa dibahas secara teoritis. Salah satunya adalah varian dari fenomena Klein tunneling, yang pertama kali dirumuskan oleh seorang fisikawan Swedia Oskar Klein pada tahun 1929. Dalam fisika kuantum kita mengenal istilah penerowongan (tunneling) yang menggambarkan bagaimana sebuah partikel kadang-kadang dapat melewati sebuah perintang yang pada keadaan normalnya akan menghalangi mereka. Semakin tebal penghalang, maka semakin kecil kemungkinan sebuah partikel dapat melewati penghalang itu.
Namun demikian, hal ini ternyata tidak berlaku bagi sebuah elektron yang bergerak dalam graphene. Dalam beberapa situasi, elektron dalam graphene bahkan dapat melintasi penghalang ini begitu saja seolah-olah penghalang itu tidak ada sama sekali!
Penggunaan Graphene
Berikut adalah berbagai penggunaan potensial graphene:
1. Baterai
Peneliti UCLA telah berhasil mengembangkan baterai graphene yang tidak beracun, murah, dan mengisi ulang (charging) dalam waktu singkat. Baterai ini bisa mengisi ponsel Anda hanya dalam waktu 5 detik!
2. Night Vision
Graphene bersama dengan sulfida timbal dapat menciptakan gambar atau citra lebih halus dalam kondisi cahaya yang sangat rendah. Terobosan ini akan mendorong diproduksinya kamera ultra ringan dan kacamata night vision.
3. Mendeteksi Bahan Peledak
Graphene dapat berguna dan sangat efisien dalam mendeteksi bahan peledak. Meskipun desain awal telah dikembangkan oleh Rensselaer Polytechnic Institute, masih dibutuhkan waktu lama sebelum produk ini bisa digunakan oleh tim penjinak bom.
4. Rompi Anti Peluru Kualitas Tinggi
Kekuatan graphene yang begitu besar menjadikannya ideal digunakan sebagai bahan pembuat rompi antipeluru. Sebuah penelitian di Australia telah berhasil menemukan cara untuk menggabungkan karbon nanotube dengan graphene untuk membuat rompi antipeluru yang sejauh ini paling aman.
5. Cat Kualitas Super
Para peneliti terus bereksperimen mencampur graphene dengan unsur lain untuk membentuk sel-sel fotovoltaik (sel surya) ultra tipis yang dapat digunakan untuk mengecat rumah. Cat ini pada gilirannya dapat digunakan untuk memenuhi kebutuhan listrik seluruh rumah dengan memanfaatkan sinar matahari.
6. Layar Transparan yang Lebih Kuat dari Baja
Dengan sifat graphene yang kuat, kita bisa berharap akan banyak layar elektronik transparan dipasang di mana-mana. Layar konvensional, seperti yang kita tahu, akan menjadi usang segera setelah itu.
7. Graphene Mampu Mengubah Teknologi Sel Surya
Energi matahari merupakan sumber daya gratis dan tak ada habisnya. Hanya saja, teknologi sel surya saat ini masih belum begitu efisien. Graphene dapat mengubah semua itu di masa depan. Dengan sel surya graphene ultra tipis, energi yang bisa diserap dari sinar matahari akan berlipat dibandingkan yang bisa dilakukan saat ini.
8. Kapasitor Super Graphene untuk Menyalakan Laptop Berhari-hari
Kapasitor super yang menggunakan lapisan karbon diantara dua pelat diprediksi akan mampu meningkatkan kapasitas penyimpanan muatan listrik. Secara teori, kapasitor ini akan sanggup menyalakan laptop hingga berhari-hari.
9. Membuat Speaker yang Lebih Baik dan Murah
Speaker graphene telah dikembangkan dalam bentuk yang masih kasar saat ini. Penelitian terus dilakukan untuk meningkatkan kualitas serta keterjangkauannya di pasaran. Selain suara yang mumpuni, speaker graphene juga mengkonsumsi daya lebih rendah dibandingkan speaker konvensional.
10. Pembuangan Limbah Nuklir yang Lebih Mudah
Graphene oksida akan membuat pembuangan limbah nuklir dari badan air lebih mudah dari sebelumnya. Saat dicampur dengan limbah radioaktif, graphene oksida berubah menjadi gumpalan sehingga lebih mudah diangkat dari badan air.
11. Membuat Otot Buatan
Graphene berpotensi digunakan untuk membuat otot manusia buatan. Sekali lagi, meskipun memiliki peluang, diperlukan riset lebih jauh untuk mewujudkannya.
12. Anti Karat
Karat adalah masalah kecil namun merepotkan, terutama di mesin berbagai peralatan. Sifat graphene yang menolak air dapat dimanfaatkan untuk mencegah karat. Ahli kimia di SUNY telah berhasil menciptakan lapisan yang dapat mencegah baja dari karat hingga 1 bulan saat terendam dalam larutan air garam.
13. Layar Touchscreen Ekstra Kuat
Memasukkan graphene sebagai konduktor di layar sentuh (touchscreen) akan membuatnya menjadi produk kuat sehingga akan menggantikan material plastik. Dengan Samsung mencoba untuk memonopoli teknologi ini secara agresif, kita bisa mengharapkan smartphone murah dengan layar sentuh yang lebih tahan lama di masa depan.
14. Membuat Air Laut Bisa Diminum
Peneliti MIT sedang merancang filter menggunakan graphene (grafena) yang dapat memisahkan garam dari air laut. Ini tidak diragukan lagi adalah penggunaan paling potensial. Hanya saja Anda mesti sabar, masih dibutuhan riset lanjutan untuk merealisasikan ide ini.
Beberapa temuan terbaru dari pengembangan graphene :
Sirkuit Berbasis Graphene dapat Menghasilkan Arus Listrik yang Tak Terbatas
Mengubah Sampah Menjadi Graphene Dalam Sekejap
Memanfaatkan Bakteri Dalam Menghasilkan Graphene
Selain Kuat, Beton Graphene Lebih Tahan Air
Graphene Menggiring Cahaya Hingga Seukuran Satu Atom
Penyaringan Air Lebih Mudah dengan Lembar Tipis Berbahan Graphene
Periset Menunjukkan Graphene Sebagai Sumber Pulsa Cahaya Berkecepatan Tinggi
Atau klik tautan ini
