Pembentukan Struktur Nano secara Ultrasonik untuk Menghasilkan Logam Berpori

Sonokimia merupakan sarana yang sangat efektif untuk rekayasa dan fungsionalisasi material nano. Dalam metalurgi, iradiasi ultrasonik mendorong pembentukan logam berpori. Kelompok penelitian Dr. Daria Andreeva mengembangkan prosedur berbantuan ultrasonik yang efektif dan hemat biaya untuk menghasilkan logam mesopori.

Logam berpori menarik minat besar dari berbagai bidang teknologi karena karakteristiknya yang luar biasa, seperti ketahanan terhadap korosi, kekuatan mekanis, dan kemampuan menahan suhu yang sangat tinggi. Sifat-sifat ini didasarkan pada permukaan berstruktur nano dengan pori-pori yang diameternya hanya beberapa nanometer. Material mesopori dicirikan oleh ukuran pori antara 2 hingga 50 nm, sedangkan material mikropori memiliki ukuran pori kurang dari 2nm. Tim peneliti internasional yang mencakup Dr. Daria Andreeva dari Universitas Bayreuth (Departemen Kimia Fisika II) telah berhasil mengembangkan prosedur ultrasonik yang andal untuk penggunaan berat dan hemat biaya guna merancang dan memproduksi struktur logam tersebut.

Dalam proses ini, logam diberi perlakuan dalam larutan berair sedemikian rupa sehingga rongga berukuran beberapa nanometer terbentuk pada celah-celah yang ditentukan secara presisi. Untuk struktur yang dirancang sesuai kebutuhan ini, sudah tersedia beragam aplikasi inovatif, termasuk pemurnian udara, penyimpanan energi, atau teknologi medis. Penggunaan logam berpori dalam nanokomposit sangat menjanjikan. Nanokomposit merupakan kelas baru material komposit, yang struktur matriksnya sangat halus dan diisi dengan partikel berukuran hingga 20 nanometer.

Teknik baru ini memanfaatkan proses pembentukan gelembung yang dihasilkan secara ultrasonik, yang dalam fisika disebut kavitasi (berasal dari bahasa Latin “cavus” = “berongga”). Dalam pelayaran, proses ini ditakuti karena kerusakan besar yang dapat ditimbulkannya pada baling-baling kapal dan turbin. Sebab, pada kecepatan putar yang sangat tinggi, gelembung uap terbentuk di dalam air. Setelah berada di bawah tekanan yang sangat tinggi selama waktu singkat, gelembung-gelembung tersebut runtuh ke dalam, sehingga mengubah bentuk permukaan logam. Proses kavitasi juga dapat dihasilkan menggunakan ultrasonik. Ultrasonik terdiri atas gelombang kompresi dengan frekuensi di atas rentang pendengaran (20 kHz) dan menghasilkan gelembung vakum dalam air serta larutan berair. Suhu beberapa ribu derajat Celsius dan tekanan yang sangat tinggi hingga 1000 bar timbul ketika gelembung-gelembung ini mengalami implosi.

Skema di atas menunjukkan efek kavitasi akustik pada modifikasi partikel logam. Logam dengan titik leleh (MP) rendah seperti seng (Zn) teroksidasi sepenuhnya; logam dengan titik leleh tinggi seperti nikel (Ni) dan titanium (Ti) menunjukkan modifikasi permukaan saat disonikasi. Aluminium (Al) dan magnesium (Mg) membentuk struktur mesopori. Logam mulia tahan terhadap iradiasi ultrasonik karena kestabilannya terhadap oksidasi. Titik leleh logam dinyatakan dalam derajat Kelvin (K).

Pengendalian yang presisi atas proses ini dapat menghasilkan pembentukan struktur nano secara terarah pada logam yang tersuspensi dalam larutan berair – dengan mempertimbangkan karakteristik fisik dan kimia tertentu dari logam tersebut. Sebab, logam bereaksi dengan cara yang sangat berbeda ketika terkena sonikasi semacam ini, sebagaimana telah ditunjukkan oleh Dr. Daria Andreeva bersama rekan-rekannya di Golm, Berlin, dan Minsk. Pada logam dengan reaktivitas tinggi seperti seng, aluminium, dan magnesium, struktur matriks terbentuk secara bertahap dan distabilkan oleh lapisan oksida. Hal ini menghasilkan logam berpori yang, misalnya, dapat diproses lebih lanjut menjadi material komposit. Namun, logam mulia seperti emas, platinum, perak, dan paladium berperilaku berbeda. Karena kecenderungan oksidasinya rendah, logam-logam ini tahan terhadap perlakuan ultrasonik serta mempertahankan struktur dan sifat awalnya.

Gambar di atas menunjukkan bahwa ultrasonik juga dapat digunakan untuk melindungi paduan aluminium terhadap korosi. Di sebelah kiri: Foto paduan aluminium dalam larutan yang sangat korosif, dengan citra mikroskop elektron dari permukaannya di bawah foto tersebut; pada permukaan ini – akibat sonikasi – telah terbentuk lapisan polielektrolit. Lapisan ini memberikan perlindungan terhadap korosi selama 21 hari. Di sebelah kanan: Paduan aluminium yang sama tanpa paparan sonikasi. Permukaannya terkorosi sepenuhnya.

Fakta bahwa berbagai logam bereaksi dengan cara yang sangat berbeda terhadap sonikasi dapat dimanfaatkan untuk inovasi dalam ilmu material. Dengan cara ini, paduan dapat diubah menjadi nanokomposit yang partikel materialnya yang lebih stabil terbungkus dalam matriks berpori dari logam yang kurang stabil. Dengan demikian, luas permukaan yang sangat besar terbentuk dalam ruang yang sangat terbatas, sehingga nanokomposit ini dapat digunakan sebagai katalis. Nanokomposit tersebut menghasilkan reaksi kimia yang sangat cepat dan efisien.

Bersama Dr. Daria Andreeva, para peneliti Prof. Dr. Andreas Fery, Dr. Nicolas Pazos-Perez, dan Jana Schäferhans, yang juga berasal dari Departemen Kimia Fisika II, berkontribusi pada hasil penelitian ini. Bersama rekan-rekan mereka di Max Planck Institute of Colloids and Interfaces di Golm, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH, dan Universitas Negeri Belarus di Minsk, mereka telah menerbitkan hasil terbaru mereka secara daring dalam jurnal “Nanoscale”.