Material maju tidak selalu berarti material yang benar-benar baru. Dalam banyak kasus, kemajuan justru muncul ketika material yang sudah dikenal dibuat dalam ukuran yang sangat kecil sehingga menunjukkan sifat yang berbeda. Inilah salah satu prinsip penting dalam perkembangan material nano.

Dr. Ir. Grandprix Thomryes Marth Kadja, M.Si., dari Kelompok Keahlian Kimia Fisika dan Anorganik FMIPA ITB, menjelaskan kepada Tim Idealog, Islaminur Pempasa dan Saffanah Zahirah saat diwawancara di Ruang Rapat B, Lantai 6, Gedung CRCS, Kampus ITB, Jalan Ganesa No. 10, Bandung, bahwa material nano merupakan bidang yang sangat luas. Objek penelitiannya dapat sama-sama berada dalam skala nanometer, tetapi penerapannya bisa berbeda, mulai dari baterai, elektronik, membran, katalisis, hingga sensor.

Secara umum, material nano memiliki setidaknya satu dimensi dalam rentang sekitar 1–100 nanometer. Namun, ukuran bukan satu-satunya hal yang menentukan. Hal yang lebih penting adalah munculnya sifat yang berbeda dibandingkan material yang sama dalam ukuran besar.

Emas menjadi contoh sederhana. Dalam bentuk makroskopis, emas mempunyai warna khas yang kita kenal. Akan tetapi, ketika ukurannya diperkecil menjadi nanopartikel, sifat optiknya dapat berubah sehingga menghasilkan warna kemerahan hingga magenta. Nanopartikel emas semacam ini dapat dimanfaatkan dalam berbagai sistem deteksi berbasis strip uji. Dengan jumlah material yang sangat sedikit, perubahan sifat pada skala nano sudah dapat memberikan fungsi yang berbeda.

Mengenal MXene

Salah satu material nano yang menjadi fokus penelitian Dr. Grandprix dan timnya adalah MXene, keluarga material dua dimensi berbasis karbida dan/atau nitrida logam transisi.

Untuk memahami bentuknya, MXene dapat dibandingkan secara sederhana dengan grafena. Grafena merupakan lembaran karbon yang sangat tipis dan dikenal memiliki konduktivitas listrik serta sifat mekanik yang baik. MXene juga mempunyai struktur berupa lembaran dua dimensi, tetapi komposisinya lebih beragam karena melibatkan logam transisi, karbon dan/atau nitrogen, serta gugus kimia tertentu pada permukaannya.

Keragaman tersebut membuat permukaan MXene dapat dimodifikasi sesuai kebutuhan. Karena itu, satu keluarga material ini berpotensi digunakan untuk banyak aplikasi sekaligus, seperti baterai, membran, sel surya, fotonik, sensor, elektrokatalis, hingga berbagai aplikasi biomedis.

“MXene ini merupakan platform yang multifungsi, bisa ke mana-mana.” — Dr. Grandprix

MXene sendiri masih tergolong material baru. Material ini pertama kali dilaporkan pada 2011. Grup riset Dr. Grandprix mulai mengembangkannya pada 2018 dan menjadi salah satu kelompok awal yang mengerjakan MXene di Indonesia. Seiring waktu, semakin banyak peneliti dari ITB maupun perguruan tinggi lain yang mulai mengembangkan material tersebut untuk beragam kebutuhan.

Membantu Produksi Hidrogen dari Air

Salah satu arah riset MXene yang dikembangkan di laboratorium Dr. Grandprix adalah sebagai elektrokatalis untuk produksi hidrogen melalui pemecahan air atau water splitting.

Hidrogen sering dipandang sebagai salah satu pembawa energi yang menjanjikan karena ketika digunakan dapat menghasilkan air sebagai produk akhirnya. Namun, hidrogen yang banyak digunakan saat ini masih diproduksi dari sumber fosil seperti gas alam melalui proses steam methane reforming. Selain menggunakan sumber yang tidak terbarukan, proses tersebut juga menghasilkan emisi karbon dioksida. Hidrogen dari jalur ini dikenal sebagai hidrogen abu-abu atau grey hydrogen.

Alternatifnya adalah memproduksi hidrogen dari air melalui elektrolisis. Pada proses ini, energi listrik digunakan untuk menguraikan air menjadi hidrogen dan oksigen.

Masalahnya, proses tersebut membutuhkan energi tambahan yang dalam elektrokimia berkaitan dengan potensial berlebih atau overpotential. Semakin besar potensial berlebih yang dibutuhkan, semakin besar pula energi listrik yang harus dimasukkan ke dalam sistem.

Di sinilah material seperti MXene berpotensi membantu. MXene dapat digunakan untuk memodifikasi elektroda sehingga proses perpindahan elektron berlangsung lebih baik. Konduktivitas listriknya yang tinggi membantu elektron berpindah dari elektroda menuju spesies yang terlibat dalam reaksi pembentukan hidrogen.

Sifat permukaan MXene juga dapat membantu molekul air berinteraksi dengan elektroda. Kedua karakteristik tersebut menjadi penting dalam upaya menurunkan energi tambahan yang diperlukan dalam reaksi elektrokimia.

Dengan kata lain, tujuan penggunaan MXene bukan sekadar membuat reaksi berlangsung, tetapi membuatnya berlangsung dengan penggunaan energi yang lebih efisien.

Dari Membran hingga Pemurnian Air

Struktur MXene yang berupa lembaran juga membuka peluang untuk pengembangan membran.

Ketika lembaran-lembarannya disusun bertumpuk, terbentuk saluran di antara setiap lapisan. Saluran tersebut dapat dimanfaatkan sebagai jalur selektif bagi molekul tertentu.

Dalam pemurnian air, misalnya, membran diharapkan dapat melewatkan molekul air sambil menahan garam atau zat lain. Prinsip serupa juga dapat dikembangkan untuk desalinasi dan pemisahan gas.

Meski secara konsep potensinya besar, aplikasi membran masih menghadapi tantangan. Sistem seperti osmosis balik (reverse osmosis) bekerja pada tekanan tinggi sehingga membran harus mempunyai kestabilan mekanik yang baik. Menurut Dr. Grandprix, bukti konsep penggunaan MXene sebagai membran sudah banyak ditunjukkan, tetapi perjalanan menuju penggunaan praktis masih memerlukan pengembangan lebih lanjut.

Sensor Menjadi Aplikasi yang Paling Dekat

Di antara berbagai kemungkinan tersebut, Dr. Grandprix melihat sensor sebagai salah satu aplikasi MXene yang paling dekat untuk dikembangkan menuju penggunaan nyata.

“Kalau saat ini, yang paling dekat itu sensor. Sensor itu kecil, tetapi bisa langsung dikembangkan.” — Dr. Grandprix

Salah satu penelitian yang telah dilakukan adalah pengembangan sensor glukosa nonenzimatik.

Alat pengukur gula darah yang umum digunakan memanfaatkan strip uji yang pada banyak sistem masih bergantung pada enzim, seperti glukosa oksidase. Enzim tersebut membantu mengenali glukosa dalam sampel darah dan menghasilkan sinyal yang kemudian dibaca oleh alat.

Namun, karena enzim merupakan protein, kestabilannya dapat dipengaruhi kondisi penyimpanan dan perubahan suhu. Faktor tersebut dapat berdampak pada kinerja sensor.

Dalam penelitian yang dibahas Dr. Grandprix, MXene dikombinasikan dengan nanopartikel emas untuk menghasilkan sensor glukosa tanpa bergantung pada enzim sebagai komponen utamanya.

Ketika konsentrasi glukosa berubah, respons arus listrik dari material juga berubah. Perbedaan sinyal tersebut menjadi dasar untuk menentukan jumlah glukosa dalam sampel. Kombinasi MXene dan emas dalam penelitian tersebut menghasilkan sinyal yang lebih kuat dibandingkan komponen tertentu ketika digunakan secara terpisah.

Dr. Grandprix membayangkan bahwa dalam satu dekade ke depan, teknologi semacam ini dapat berkembang menjadi strip uji yang menggunakan material sensor hasil pengembangan dalam negeri.

Aplikasi sensor dinilai menarik karena ukuran perangkatnya kecil dan jumlah material aktif yang diperlukan juga relatif sedikit. Karena itu, teknologi dapat dikembangkan tanpa harus menunggu kemampuan produksi MXene mencapai skala sangat besar.

Tidak Hanya Glukosa

Peluang penggunaan MXene untuk sensor tidak berhenti pada pengukuran kadar gula.

Dr. Grandprix juga menyinggung penelitian sensor untuk mendeteksi levofloksasin, salah satu jenis antibiotik. Selain itu, prinsip serupa dapat dikembangkan untuk mendeteksi zat lain, misalnya melamin dalam produk pangan.

Kasus melamin memberikan contoh mengapa sensor yang selektif diperlukan. Metode Kjeldahl yang lazim digunakan untuk memperkirakan kandungan protein bekerja dengan mengukur nitrogen dalam sampel. Masalahnya, melamin juga mempunyai kandungan nitrogen tinggi.

Jika seseorang menambahkan melamin ke dalam produk susu, pengukuran nitrogen dapat menunjukkan angka tinggi meskipun nitrogen tersebut bukan berasal dari protein yang seharusnya terdapat dalam susu.

Sensor yang dapat mengenali melamin secara lebih spesifik berpotensi membantu membedakan kedua kondisi tersebut.

Dari Gram Menuju Kilogram

Dalam sepuluh tahun mendatang, salah satu perkembangan penting yang diharapkan adalah kemampuan meningkatkan skala produksi MXene.

Saat ini produksi di laboratorium masih banyak berlangsung pada orde gram. Dr. Grandprix memperkirakan kemampuan produksi pada orde kilogram sudah dapat memberikan dampak besar karena banyak aplikasi nanomaterial hanya membutuhkan material aktif dalam jumlah kecil.

“Saya membayangkan satu dekade lagi kita bisa memproduksi MXene dalam skala yang jauh lebih besar, sampai orde kilogram.” — Dr. Grandprix

Namun, peningkatan produksi tidak hanya bergantung pada kemampuan membuat MXene.

MXene disintesis dari bahan awal yang disebut fase MAX. Dalam prosesnya, salah satu komponen pada fase MAX dihilangkan secara selektif untuk menghasilkan struktur berlapis MXene.

Tantangannya, sebagian besar fase MAX yang digunakan dalam penelitian saat ini masih berasal dari impor. Dr. Grandprix menyebut fase MAX berbasis titanium, vanadium, kromium, dan niobium yang digunakan kelompoknya masih dibeli dari luar negeri.

Secara prinsip Indonesia dapat memproduksi bahan tersebut sendiri. Akan tetapi, dibutuhkan infrastruktur khusus, termasuk tungku dengan kemampuan mencapai suhu sangat tinggi. Fasilitas laboratorium yang umum tersedia saat ini belum seluruhnya mampu memenuhi kebutuhan tersebut.

Ketergantungan terhadap prekursor impor inilah yang menjadi salah satu persoalan penting apabila Indonesia ingin membangun industri MXene secara lebih mandiri.

Penelitian Tidak Cukup dengan Alat yang Sama

Tantangan lain terletak pada fasilitas penelitian.

ITB telah memiliki berbagai instrumen karakterisasi modern, mulai dari mikroskop elektron pemindai, mikroskop elektron transmisi, hingga mikroskop gaya atom. Akan tetapi, menurut Dr. Grandprix, memiliki instrumen mutakhir yang juga tersedia di banyak tempat belum cukup untuk menghasilkan lompatan penelitian.

Kelompok riset perlu mulai mempunyai fasilitas yang lebih khas, bahkan instrumen yang dirancang khusus untuk mengamati fenomena yang tidak dapat dipelajari menggunakan peralatan rutin.

“Kalau ingin melompat lebih jauh, kita harus punya fasilitas yang spesial, yang custom, yang menjadi kekhasan kita masing-masing.” — Dr. Grandprix

Salah satu contoh yang Dr. Grandprix lihat ketika mengikuti konferensi di Jepang adalah single-molecule spectroscopy. Alih-alih mengukur sifat rata-rata dari kumpulan molekul, teknik ini memungkinkan peneliti mempelajari perilaku molekul secara individual.

Fasilitas dengan kekhususan semacam ini dapat menjadi identitas sekaligus keunggulan ilmiah sebuah kelompok penelitian.

Membangun Ekosistem, Bukan Hanya Material

Kesiapan teknologi MXene juga tidak dapat dilihat dari kemampuan sintesis saja.

Dr. Grandprix menilai kesiapan teknologinya relatif tinggi karena proses sintesis sudah dapat dilakukan dan berpotensi ditingkatkan skalanya. Namun, aspek sosial masih rendah karena MXene belum dikenal secara luas oleh masyarakat.

Dari aspek lingkungan, masih terdapat pekerjaan rumah. Salah satu jalur sintesis MXene menggunakan asam fluorida (HF), sehingga dibutuhkan pengelolaan bahan dan limbah yang baik serta pengembangan metode sintesis yang lebih aman.

Potensi pasar dinilai cukup menjanjikan, terutama untuk aplikasi sensor. Sementara itu, dari sisi kebijakan, belum banyak regulasi yang secara spesifik mendukung ataupun mengatur pengembangan MXene. Akses terhadap bahan fase MAX impor juga menjadi persoalan yang perlu diperhatikan.

Tiga Langkah untuk Indonesia

Dari berbagai tantangan tersebut, Dr. Grandprix menyoroti tiga langkah utama untuk mempercepat pengembangan MXene di Indonesia.

Pertama adalah memperbesar komunitas peneliti. Semakin banyak kelompok yang bekerja pada bidang yang sama, semakin besar peluang membangun massa kritis peneliti yang mampu menyelesaikan persoalan bersama dan menghasilkan terobosan.

“Komunitasnya harus semakin besar.” — Dr. Grandprix

Bagi Dr. Grandprix, jumlah peneliti bukan sekadar persoalan kuantitas. Semakin banyak orang yang terlibat, semakin banyak sudut pandang yang dapat digunakan untuk menyelesaikan persoalan ilmiah dan teknologi. Massa kritis peneliti diperlukan agar suatu bidang dapat menghasilkan terobosan secara konsisten.

Kedua adalah membangun fasilitas penelitian yang khas, bukan hanya menambah instrumen standar.

Ketiga adalah pendanaan penelitian yang lebih kuat dan berjangka panjang. Pendanaan yang terfragmentasi dan berlangsung dalam periode pendek menyulitkan teknologi untuk bergerak dari penelitian dasar menuju skala yang lebih tinggi.

“Kita harus berani memberikan pendanaan yang besar untuk teknologi atau kelompok riset yang memang sudah membuktikan bahwa mereka bisa konsisten.” — Dr. Grandprix

Pendanaan tahun jamak menjadi penting karena pengembangan material maju membutuhkan kesinambungan. Peneliti tidak hanya perlu membuktikan sebuah konsep, tetapi juga meningkatkan skala produksi, menguji stabilitas, merancang perangkat, dan membawa teknologi semakin dekat dengan kebutuhan industri.

Industri juga mempunyai peran penting. Menurut Dr. Grandprix, industri Indonesia perlu memperkuat kapasitas penelitian dan pengembangan. Jika membangun fasilitas R&D secara mandiri terlalu berat, perguruan tinggi dapat menjadi mitra untuk menyediakan keahlian, laboratorium, dan kemampuan pengembangan teknologi.

Dari Laboratorium Menuju Teknologi

MXene menawarkan kemungkinan yang sangat luas. Dalam satu keluarga material, penggunaannya dapat diarahkan ke baterai, elektronik, membran, pengolahan air, produksi hidrogen, maupun sensor.

Namun, potensi material tidak otomatis berubah menjadi teknologi.

Indonesia masih perlu meningkatkan kemampuan produksi, mengurangi ketergantungan terhadap prekursor impor, membangun fasilitas riset yang lebih khas, memperbesar komunitas peneliti, memperkuat kerja sama dengan industri, serta menyediakan pendanaan yang cukup panjang untuk membawa penelitian dari laboratorium menuju aplikasi.

Untuk aplikasi terdekat, sensor menjadi salah satu peluang yang menjanjikan. Sementara untuk jangka lebih panjang, pengembangan elektrokatalis MXene untuk pemecahan air dapat menjadi bagian dari upaya menghasilkan hidrogen dengan proses yang lebih efisien.

Dengan membangun kemampuan sejak tahap material hingga perangkat, pengembangan MXene memberi kesempatan bagi Indonesia tidak hanya menggunakan teknologi yang datang dari luar, tetapi juga ikut merancang dan menghasilkan teknologi material maju sendiri.

Kontributor: Nada Raudah Mumtazah