MEPNews.id – Stik golf bagus dan sayap pesawat terbang terbuat dari titanium, yang sekuat baja tetapi dua kali lebih ringan. Sifat-sifat kuat dan ringan ini tergantung pada bagaimana atom logam disusun. Tapi, mungkin saja terjadi cacat acak dalam proses pembuatan, sehingga bahan-bahan ini tidak mencapai performa seperti yang diteorikan.
Logam alami terbaik pun bisa memiliki cacat dalam susunan atom sehingga membatasi kekuatannya. Satu blok titanium, yang setiap atom selaras sempurna dengan atom-atom di sebelahnya, akan sepuluh kali lebih kuat daripada apa yang saat ini dapat diproduksi. Tapi, jika ada cacat dalam susunan atom, dampak kekuatannya bisa berkurang.
Para peneliti mencoba mengeksploitasi fenomena ini dengan mengambil pendekatan arsitektur. Mereka merancang struktur dengan kontrol geometris untuk membuka kunci sifat mekanik yang muncul di skala nano. Maka, dengan bekerja pada skala atom individual, dapat dirancang dan dibangun bahan-bahan baru yang memiliki rasio kekuatan/bobot lebih baik.
Dalam studi baru yang diterbitkan di Scientific Reports, majalah ilmiah Nature, para peneliti dari University of Pennsylvania’s School of Engineering and Applied Science dari University of Illinois at Urbana-Champaign di Amerika Serikat, dan peneliti dari University of Cambridge di Inggris, berhasil melakukan hal itu. Mereka membuat selembar nikel dengan pori-pori berskala nano yang membuatnya sekuat titanium tetapi empat hingga lima kali lebih ringan.
Adanya ruang kosong berpori, dan proses perakitan itu sendiri, membuat logam kreasi mereka mirip bahan alami yakni kayu. Seperti porositas butiran kayu yang berfungsi biologis mengangkut energi, ruang kosong dalam ‘kayu metal’ ini dapat diisi bahan lain. Maka, dengan memasukkan perancah berbahan anoda dan katoda, akan memungkinkan kayu metal berfungsi ganda. Bisa dijadikan bahan sayap pesawat atau kaki palsu, bisa juga jadi baterai.
Penelitian ini dipimpin James Pikul, Asisten Profesor di Departemen Teknik Mesin dan Mekanika Terapan di Pennsylvania Engineering, dibantu Bill King dan Paul Braun dari University of Illinois di Urbana-Champaign, bersama Vikram Deshpande dari University of Cambridge. Pikul dan rekan-rekannya berhasil membuat terobosan berkat isyarat dari alam bebas.
“Alasan kami menyebutnya ‘kayu metal’ bukan hanya karena kerapatannya yang seperti kayu tetapi juga sifat selnya,” kata Pikul. “Bahan-bahan seluler itu berpori. Jika mengamati butiran kayu, apa yang Anda lihat? Ada bagian tebal dan padat untuk menahan struktur, dan bagian berpori untuk mendukung fungsi biologis, antara lain transportasi ke dan dari sel. Struktur logam yang kami buat mirip itu. Ada area tebal dan padat dengan penyangga logam kuat, dan ada berpori dengan celah udara. Kami baru saja mengoperasikannya pada skala panjang, di mana kekuatan penyangga dapat mendekati maksimum secara teoritis.”
Topangan pada kayu metal ini memiliki lebar sekitar 10 nanometer, atau sekitar 100 atom nikel. Sebagai perbandingan, ada pendekatan lain yang melibatkan penggunaan teknik seperti cetak 3D untuk membuat perancah skala nano dengan presisi ratusan nanometer. Tapi proses ini relatif lambat dan melelahkan sehingga sulit mencapai skala ukuran bermanfaat.
“Kami tahu bahwa dengan menjadi lebih kecil maka bisa menjadi lebih kuat untuk beberapa waktu,” kata Pikul, “Tetapi pakar lain belum mampu membuat struktur dengan bahan kuat yang cukup besar sehingga bisa melakukan sesuatu yang bermanfaat. Kebanyakan contoh-contoh yang sudah dibuat dari bahan kuat hanya berukuran sekecil kutu. Tapi, dengan pendekatan kami, bisa dihasilkan sampel kayu metal yang 400 kali lebih besar. ”
Metode Pikul dimulai dengan bola plastik kecil berdiameter beberapa ratus nanometer yang tersuspensi dalam air. Ketika air perlahan-lahan menguap, bola mengendap dan menumpuk seperti bola meriam, sehingga memberikan kerangka kristal yang teratur. Dengan menggunakan electroplating (teknik untuk menambahkan lapisan tipis krom ke dop), Pikul dan mitra menyusupkan nikel ke dalam bidang plastik itu. Setelah nikel berada di tempatnya, bola plastik dilarutkan dengan pelarut, sehingga meninggalkan jaringan terbuka dari penyangga logam.
“Kami telah membuat foil kayu metal ini satu sentimeter persegi, atau seukuran sisi dadu,” kata Pikul. “Untuk sekadar gambaran skala, ada sekitar 1 miliar penopang nikel dalam ukuran sebesar itu.”
Karena sekitar 70 persen dari bahan yang dihasilkan itu adalah ruang kosong, maka kerapatan kayu metal berbasis nikel ini sangat rendah jika dikaitkan dengan kekuatannya. Dengan kepadatan setara air, maka lempengan material ini bias mengambang.
Nah, tantangan berikutnya Pikul dan mitra akan mereplika proses produksi ini pada ukuran yang relevan secara komersial. Ini sangat mungkin. Tidak seperti titanium yang langka dan mahal, bahan mereka lebih gampang didapat. Masalahnya, infrastruktur yang diperlukan untuk bekerja dengan bahan itu pada skala nano masih terbatas hingga saat ini. Jika infrastrukturnya berhasil dikembangkan, skala ekonomis bisa membuat kayu metal ini diproduksi lebih cepat dan lebih murah.
Begitu para peneliti dapat menghasilkan sampel kayu metal dalam ukuran lebih besar, mereka dapat menjadikannya lebih banyak tes skala makro. Pemahaman yang tentang sifat daya tarik atomnya sangat penting. “Kami belum tahu apakah kayu metal ini dapat dibengkokkan seperti logam atau pecah seperti kaca. Jika cacat acak pada titanium dapat membatasi kekuatannya secara keseluruhan, kami juga perlu memahami bagaimana cacat pada penopang kayu metal ini mempengaruhi sifat keseluruhannya.”
Maka, Pikul dan rekan-rekannya juga mengeksplorasi cara bahan lain dapat diintegrasikan ke dalam pori-pori perancah kayu metal mereka. “Hal menarik jangka panjang tentang karya ini adalah kami memungkinkan diproduksinya bahan dengan kekuatan yang sama dari bahan berkekuatan super tinggi lainnya, tetapi dengan ruang kosong 70 persen. Suatu hari nanti, kita bisa mengisi ruang kosong itu dengan hal-hal lain. Misalnya; organisme hidup atau bahan penyimpan energi.”
—————–
Journal Reference:
James H. Pikul, Sezer Özerinç, Burigede Liu, Runyu Zhang, Paul V. Braun, Vikram S. Deshpande, William P. King. High strength metallic wood from nanostructured nickel inverse opal materials. Scientific Reports, 2019; 9 (1) DOI: 1038/s41598-018-36901-3