Plastik selalu ada di sekitar kita, kehidupan kita di masa ini tidak bisa terlepas dari plastik. Plastik menjadi bahan baku berbagai keperluan manusia modern, sebagai bahan pembuat botol, plastik bekas, material kemasan, mainan anak, wadah penyimpan dan masih banyak lagi. Sekitar 300 juta ton plastik telah diproduksi di seluruh dunia setiap tahun. Hingga kini, apa yang terjadi pada partikel kecil plastik hingga skala atom belum pernah ada yang tahu.
Baru-baru ini, sebuah tehnik terbaru tengah dikembangkan oleh peneliti dari DOE’s Lawrence Berkeley Natioanl Laboratory (Barkeley Lab), yang berkolaborasi dengan Dow and Eindhoven University of Technology di Belanda telah meneliti dan mendapatkan data resolusi atomik secara detail dari magnesium klorida, material yang digunakan sebagai bahan pembantu dalam produksi pembuatan plastik, polyethylene (PE), yang diharapkan akan membuka jalan bagi pengembangan material plastik ramah lingkungan. Penemuan ini telah dipublikasikan di Advanced Functional Materials.
Para peneliti baru-baru ini berhasil menghasilkan gambar – untuk pertama kalinya – struktur atom dari magnesium klorida dengan menggunakan sebuah mikroskop elektron. Mikroskop elektron bekerja dengan mengalirkan sinar elektron secara terus menerus pada suatu material dan bagi sebagian material yang sensitif terhadap cahaya elektron – termasuk magnesium klorida – akan merusak struktur dan juga permukaannya. Dan para peneliti berhasil mengembangkan tehnik terbaru untuk bisa mengamati struktur atomik material yang sensitif tanpa harus merusak material tersebut.
“Jika anda menanyakan kepada kami 10 tahun yang lalu apakah kami bisa mengambil gambar objek yang sensitif dalam resolusi atomik dengan menggunakan tehnik aliran sinar elektron, tentunya kami tidak akan mempercayainya,” kata Christian Kisielowski, penulis utama dari artikel penelitian dan juga staff scientist di Barkeley Lab’s Molecular Foundry, sebuah fasilitas penelitian skala nano. “Sekarang semua itu bisa dimungkinkan, sehingga kita bisa mempelajari berbagai macam material penting dalam industri plastik.”
Kisielowski menambahkan bahwa tehnik terbaru ini membuka jalan bagi penelitian material material baru yang selama ini sulit diamati dengan mikroskop elektron. Selain magnesium klorida, tehnik pengambilan gambar dengan aliran sinar elektron ini juga bisa digunakan untuk mempelajari membran halus dan plastik pada umumnya.
Dengan mengalirkan sinar elektron maka magnesium klorida bisa menyembuhkan diri sendiri diantara aliran yang datang, para peneliti telah menemukan cara untuk mempertahnakan struktur atom dari material dan menghasilkan gambar lembaran magnesium klorida bertumpuk satu sama lain secar tidak beraturan. Credit : Christian Kisielowski/Berkeley Lab.
Walaupun magnesium klorida secara luas digunakan sebagai katalis (material yang membantu mempercepat proses) dalam proses pembuatan plastik, bagaimana sebenarnya cara kerja material ini dalam proses tersebut masih menjadi misteri. Gambaran dalam skala atomik dari magnesium klorida akan membantu menjelaskan perannya dalam proses pembuatan plastik dan juga nantinya akan membantu dalam pengembangan pembuatan plastik yang lebih ramah lingkungan.
Sayangnya, dalam beberapa kali percobaan pengamatan dan pengambilan gambar dari material ini sangat sulit dilakukan, dikarenakan magnesium klorida terdiri dari dua macam struktur kristal yang memiliki susunan atom yang sedikit berbeda. “Sinar elektron itu sendiri bisa merusak struktur dari material, sehingga akan semakin sulit untuk membaca struktur dari gambar yang dihasilkan,’ kata kisielowski. Dengan bekerjasama dengan beberapa rekan, kami akhirnya bisa mengatasi masalah ini.
Tim dari Lab di Barkeley bekerjasama dengan Eindhoven University of Technology dan Dow mengembangkan sebuah tehnik dalam mengalirkan sinar elektron, yaitu secara periodik dalam jangka waktu yang telah diatur, dibandingkan dengan mengalirkannya secara terus menerus. Dengan menggunakan mikroskop elektronik yang telah dimodifikasi di Eindhoven, para peneliti akhirnya menemukan bahwa mengalirkan sinar elektron secara periodik seperti cahaya lampu strobe yang berkelip sangat cepat dengan jangka waktu setiap 160 picosecond (1 picosecond adalah satu per triliyun detik). Material ternyata bisa “menyembuhkan” dirinya diantara setiap aliran sinar elektron yang datang.
Selama ini telah diketahui bahwa ada sebagian sampel yang menjadi rusak oleh mikroskop elektron, ketika atom atom keluar dari posisi semula atau molekul terpecah menjadi partikel-partikel yang lebih kecil. Melalui penelitian ini, para peneliti bisa memahami bahwa akumulasi dari getaran atomik yang disebabkan oleh sinar elektron sangatlah penting. Dengan mengalirkan sinar elektron bersamaan waktunya dengan terjadinya getaran, para peneliti berhasil mempertahankan struktur atom dari material dan bisa diketahui bahwa struktur magnesium klorida berbentuk lembaran yang saling bertumpuk tidak beraturan, seperti buku yang ditumpuk secara serampangan, dan ciri ini yang membedakannya dengan material lainnya.
Masalah lainnya yang juga tengah dihadapi para peneliti dalam mengambil gambar magnesium klorida adalah ketika material tersebut terpapar oleh udara, akan merubah kandungan kimia dan juga struktur kristal (susunan atom ketika berada di udara bebas). Jika menggunakan mikroskop elektron dengan tehnik konvesional, sampel akan terpapar udara ketika dipindahkan ke mikroskop.
Gambaran bagaimana susunan atom dari magnesium klorida yang berubah ketika terkena aliran sinar elektron. Credit: Christian Kisielowski/Berkeley Lab.
Kisielowski mencatat bahwa berkat kerjasama mereka dengan Dow, mereka mampu meminimalisir paparan udara terhadap material dengan mengunakan wadah kedap udara. “Rekan kami di Dow mengajarkan kami bagaimana menangani material yang sensitif terhadap udara, perlakuan ini merupakan elemen penting dari keseluruhan penelitian ini,” kata Kisielowski. “Tim kami sudah sangat ahli dalam menangani aliran sinar elektron, dimana hal ini juga faktor yang sangat penting. Kerjasama ini adalah saling berbagi ilmu dan pengalaman.”
“Selama ini, mempelajari dan memahami struktur atom dari magnesium klorida sangatlah sulit,” kata David Yancey, kolaborator proyek di Dow, dan juga menambahkan dengan kerjasama ini juga memberi mereka kesempatan mempelajari ilmu mikroskopi di Berkeley.
Sekarang, setelah para peneliti bisa mengambil gambar struktur atom dari katalis dalam produksi plastik, mereka berencana akan meneliti dan mempelajari hubungan antara struktur dan komposisi dari plastik, hal ini dilakukan untuk membuka jalan bagi penelitian dan pemngembangan pembuatan plastik yang ramah lingkungan.
“Kita semua tahu, bahwa kita harus merubah cara kita menangani plastik di dunia,” kata Petra Specht, penulis artikel penelitian dan juga seorang ilmuwan riset di departemen ilmu material dan tehnik di UC Berkeley. “Jika anda ingin membuat perubahan, anda harus mengetahui bagaimana suatu proses bekerja. Kita berharap, tehnik baru kami ini akan mebantu kami dalam memahami bagaimana plastik terbentuk, dan bagaimana kami bisa membuat material-material yang ramah lingkungan,” dia menambahkan.
