Boron Nitride Nanotubes (BNNT) adalah salah satu material baru paling menarik yang ditawarkan oleh nanoteknologi. Seperti namanya, BNNT memiliki struktur silinder yang sama dengan carbon nanotubes (CNT), tetapi susunan atomnya berbeda sehingga menampilkan karakteristik yang berbeda.
Pada pertengahan tahun 1990-an, para peneliti mulai mengidentifikasi BNNT. Sejak saat itu, BNNT dengan cepat menarik perhatian para spesialis di berbagai bidang karena sifat mekanik, termal, dan listriknya yang menakjubkan.
Struktur, sintesis, sifat, dan penerapan luas BNNT akan dibahas, memberikan bukti kemampuannya sebagai nanomaterial serbaguna untuk masa depan.
Sifat Struktural dan Fisik BNNT
Tabung mulus dari lembaran boron nitrida heksagonal (HBN) radial berpenampang melintang digulung menjadi nanostruktur silinder dan ini dikenal sebagai BNNT.
Mereka menggabungkan struktur yang ada hubungannya dengan kisi grafit, tempat atom Boron dan Nitrogen bergantian muncul satu demi satu. Telah ditemukan bahwa nanotube BN tersebut stabil sebagai hasil dari keberadaan ikatan BN yang kuat.
Berbeda dengan karbon nanotube, analog karbon BNNT tidak dapat menghantarkan listrik karena memiliki celah pita lebar berkisar sekitar 5,5 eV yang tidak bervariasi dengan sudut kiral atau diameter tabung.
Dengan menghadirkan BNNT, dapat dikatakan terdapat kontradiksi dalam hal sifat-sifat yang ditunjukkan oleh strukturnya.
Stabilitas pada Suhu Tinggi:
BNNT dapat bertahan pada suhu sekitar 900 °C di udara, sedangkan karbon nanotube mulai teroksidasi pada suhu mendekati 600 °C. Hal ini menjadikan BNNT sebagai kandidat yang baik untuk kondisi suhu tinggi.
Kekuatan Mekanik Tinggi:
BNNT menunjukkan kekuatan tarik yang luar biasa dengan nilai modulus Young dibandingkan dengan karbon nanotube (sekitar 1,3 TPa). Efek piezoelektriknya meningkatkan sifat mekanisnya sehingga memungkinkannya digunakan dalam sensor dan aktuator skala nano.
Stabilitas Kimia dan Termal:
Kehadiran ikatan BN yang kuat dalam BNNT menghasilkan tingkat ketahanan yang tinggi terhadap oksidasi dan keausan kimia. Hal ini menunjukkan ketahanan saat digunakan dalam lingkungan yang menantang termasuk basa dan asam yang kuat.
Biokompatibilitas:
Dapat diamati bahwa toksisitas dan biokompatibilitas rendah dari BNNT memungkinkan penggunaan dalam biomedis yang ditujukan untuk transportasi obat, atau biosensor, implan dan mekanisme inabal.
Isolasi Listrik Konduktivitas Termal Tinggi:
Seperti sifat termalnya, BNNT dianggap sebagai isolator listrik yang baik dan memiliki konduktivitas termal yang tinggi. Hal ini memungkinkan BNNT digunakan secara efektif untuk manajemen termal dalam formulasi berbagai sistem elektronik.
Sintesis BNNT
Sintesis BNNT telah dicoba menggunakan beberapa metode seperti teknik sintesis aliran gas, tetapi cukup sulit untuk meningkatkan skala metode tersebut. Beberapa metode umum diuraikan di bawah ini.
Deposisi Uap Kimia (CVD):
Dalam proses ini, sumber boron seperti boron oksida atau boron halida, bersama dengan sumber nitrogen dipanaskan dan diurai untuk membentuk endapan yang dibutuhkan. Dengan menggunakan CVD, BNNT dengan ukuran dan bentuk yang dapat disesuaikan dapat dibuat dengan rasio aspek yang tinggi.
Ablasi Laser:
Sasaran boron berbentuk bubuk dikonsumsi menggunakan laser berdaya tinggi saat berada dalam wadah berisi nitrogen. Nitrogen kemudian memasok elemen yang hilang untuk membuat BNNT. Meskipun teknik ini efektif dalam membuat BNNT dengan kualitas kristal tinggi, rasio biaya terhadap manfaatnya tidak mendukung produksi massal.
Penggilingan Bola dan Anil:
Ini adalah metode dua langkah, pertama-tama, tabung serbuk boron digiling dengan bola untuk memperoleh butiran serbuk boron kecil, dan serbuk boron kemudian dipanaskan dalam lingkungan nitrogen untuk mensintesis BNNT. Namun, metode ini lebih murah, tabung yang dihasilkan lebih pendek, lebih panjang, dan lebih sedikit jumlahnya.
Pelepasan Busur Plasma:
Dalam teknik ini, busur plasma terbentuk di antara dua elektroda boron dalam atmosfer nitrogen. Suhu tinggi yang menjadi ciri khas busur plasma bertanggung jawab atas pertumbuhan BNNT. Studi menunjukkan bahwa prosedur ini efisien dalam menghasilkan volume besar, tetapi kualitasnya mungkin berbeda.
Aplikasi Boron Nitrida Nanotube
Karena sifatnya yang luar biasa, BNNT cocok untuk banyak penggunaan, mulai dari listrik dan termal, biomedis, hingga teknik kedirgantaraan.
1. Elektronika dan Optoelektronika
BNNT merupakan material inovatif yang memberikan jaminan tinggi dalam bidang elektronik. Material ini menawarkan isolasi listrik yang baik dengan karakteristik pembuangan panas yang tinggi. Transistor frekuensi tinggi mencapai kinerja yang lebih baik melalui penambahan BNNT, yang membantu mengurangi gangguan listrik. Material ini juga berguna dalam bidang elektronik berdaya tinggi karena dapat menahan suhu yang sangat tinggi tanpa kehilangan integritas strukturalnya.
Dalam optoelektronik, BNNT digunakan untuk menyediakan permukaan optimal bagi arsitektur dioda pemancar cahaya organik (OLED), karena substratnya bening secara optik dan tahan lama. Mereka juga meningkatkan kinerja fotodetektor dengan menyediakan transportasi muatan dan pembuangan panas yang lebih baik.
2. Manajemen Termal
Karena konduktivitas termal dan stabilitas termalnya yang tinggi, BNNT juga berguna jika diperlukan manajemen termal pada perangkat elektronik. Dengan generasi perangkat elektronik saat ini yang lebih kecil dan lebih bertenaga, ada kebutuhan yang semakin meningkat untuk pembuangan panas yang efektif guna menghindari panas berlebih. BNNT dapat digunakan sebagai bahan antarmuka termal yang memungkinkan perpindahan panas sekaligus memastikan isolasi listrik.
3. Komposit dan Material Struktural BNNT berpotensi menjadi elemen penguat terbaik dalam material komposit karena sifat mekanisnya yang luar biasa. Berkat penggabungan BNNT dalam polimer, logam, atau keramik, para peneliti dapat menghasilkan material komposit ringan yang lebih kuat, stabil secara termal, dan lebih tahan lama daripada komposit normal.
Komposit ini akan digunakan dalam sektor kedirgantaraan dan otomotif di mana bobot komponen dan kinerja material merupakan hal yang paling penting.
Misalnya, penggabungan BNNT dalam matriks polimer meningkatkan kekuatan mekanis, konduktivitas termal, dan ketahanan radiasi matriks secara signifikan. Kualitas ini memungkinkan mereka untuk bertahan bahkan dalam kondisi yang sangat buruk yang terjadi di luar angkasa.
4. Aplikasi Biomedis
Sifat biokompatibilitas BNNT memungkinkan pemanfaatannya di banyak bidang biomedis. BNNT juga dapat berfungsi sebagai sistem penghantaran obat karena luas permukaannya yang besar untuk tujuan penghantaran. Biomolekul dapat digunakan untuk melapisi BNNT agar dapat berhasil dimasukkan ke dalam sistem kehidupan.
Selain itu, dalam hal rekayasa jaringan, BNNT berfungsi sebagai perancah untuk pertumbuhan sel dan rekonstruksi jaringan. BNNT memiliki kekuatan dan biokompatibilitas yang hebat, yang membantu dalam proses penyembuhan luka.
Biosensor dan implan medis merupakan beberapa aplikasi BNNT karena sifat piezoelektriknya. Keduanya menghasilkan impuls listrik saat gaya eksternal diterapkan, yang juga dapat mendeteksi perubahan dalam tubuh.
5. Penyimpanan dan Produksi Energi
Studi BNNT juga mencakup penggunaannya sebagai bahan untuk perangkat penyimpanan energi seperti baterai atau ultrakapasitor. Luas permukaan bahan elektroda yang disintesis dari BNNT dan stabilitasnya membantu meningkatkan kinerja dalam hal kapasitas penyimpanan energi dan siklus hidup perangkat penyimpanan energi.
Perangkat yang dapat dikenakan memberi daya pada salah satu aplikasi BNNT yaitu piezoelektrik di mana bahannya dapat mengubah energi mekanik dalam bentuk seperti getaran atau gerakan tubuh menjadi energi listrik.
6. Perlindungan Terhadap Radiasi
BNNT juga memiliki sifat perlindungan radiasi yang sangat baik, terutama dari radiasi neutron. Hal ini membuka peluang untuk digunakan di berbagai bidang seperti misi luar angkasa, di dalam reaktor nuklir, dan mesin perawatan kanker. Penggunaan BNNT pada komposit dapat meningkatkan ketahanan material terhadap radiasi berbahaya sekaligus menekankan desain material tersebut.
7. Mekanisme sensorik dan elemen transduksi
Sifat piezoelektrik dan semikonduktor BNNT membuatnya cocok untuk membuat sensor dan aktuator skala nano. Material komposit BNNT tersebut dapat mengubah tekanan, regangan, atau lingkungan kimia hingga tingkat tertentu dengan sensitivitas tinggi dan respons cepat yang ditawarkan oleh sensor regangan berkinerja tinggi.
Karakteristik ini dapat dimanfaatkan dalam konstruksi sensor tipis dan dapat dikenakan untuk tujuan menangkap indeks fisiologis.
Menyimpulkan
Boron Nitrida Nanotube merupakan kelas material berskala nano yang menunjukkan sejumlah fitur menarik. Karakteristik uniknya, termasuk stabilitas termal yang sangat tinggi, sifat mekanis yang tinggi (memungkinkan biokompatibilitas), dan isolasi termal memungkinkannya muncul sebagai material serbaguna untuk berbagai bidang seperti elektronik, biomedis, kedirgantaraan, dll.
Dari perspektif masa depan, dapat dikatakan bahwa harapan mengenai BNNT bersifat optimis karena cara baru untuk mensintesisnya dapat diintegrasikan dengan pemahaman lebih lanjut tentang bahan-bahan ini.
Kemajuan dalam nanoteknologi ditambah dengan kebutuhan akan bahan berkinerja tinggi kemungkinan besar akan memicu lebih banyak penelitian dan pengembangan di bidang BNNT.