rangka baja
Jangan menyepelekan hal yang tampaknya kecil. Ujaran itu berlaku pada teknologi nano. Rekayasa pada unsur seukuran 10 pangkat (-9) meter ini telah banyak mengubah tatanan terkait materi. Kiprahnya pun telah merambah berbagai sudut segi kehidupan.
Jurnal ilmiah Nature baru-baru ini memuat hasil penelitian para ahli materi tentang bagaimana suatu materi logam bisa menjadi lebih kuat dan sekaligus lentur.
Para ahli ilmu materi sudah mengetahui bahwa kekuatan logam atau kerapuhan logam ditentukan oleh interaksi dislokasi. Proses interaksi dislokasi ini merupakan sebuah pertukaran tak beraturan dari garis-garis bersilangan yang bergerak, berlipat di dalam kristal-kristal metalik. Apa yang terjadi pada logam ketika dilakukan rekayasa pada skala nano? Adakah cara tertentu, dengan memanipulasi struktur nano, bisa menghasilkan logam yang lebih kuat dan lebih lentur?
Seperti dirilis oleh situs ScienceDaily.com pada Jumat (9/4) lalu, para ilmuwan dari Brown University ternyata telah menemukan caranya. Dalam paper dalam majalah ilmiah Nature, Huajian Gao dan sejumlah peneliti dari University of Alabama dan China menuliskan laporan mereka tentang mekanisme yang mengatur tercapainya puncak kekuatan (tertinggi) dari logam dalam struktur nano.
Mereka menunjukkan dengan membuat simulasi tiga dimensi (3-D) yang memperlihatkan butir-butir yang terbelah dari logam dalam struktur nano. Dengan cara itu, Gao serta timnya mengetahui bahwa proses dislokasi tersebut ternyata mampu mengatur dirinya sendiri dengan tingkat keteraturan yang tinggi (highly ordered).
Bak untaian kalung
Bentuk keteraturan itu tampak seperti pola untaian kalung (mutiara) di sepanjang materi (logam). Proses nukleasi (menjadi seperti nukleus-inti atom) pola dislokasi tersebut menurut para ilmuwan adalah merupakan bagian paling dominan dalam menentukan puncak kekuatan (the peak strength).
Menurut Gao, profesor dari Brown University, penemuan tersebut akan membuka pintu ke arah terciptanya suatu jenis logam yang lebih lentur. ”Ini adalah sebuah teori baru mengenai cara mengatur kekuatan materi dalam ilmu materi. Penemuan ini penting karena dia berhasil menyingkap suatu mekanisme dari kekuatan materi yang sifatnya amat unik dalam bentuk struktur nano,” katanya.
Dengan membelah butiran logam menggunakan teknik khusus, potongan-potongannya kemungkinan menunjukkan batas-batas dalam butiran yang dirujuk oleh para ilmuwan sebagai batas-batas kembar (twin boundaries).
Penyusun laporan dari China menciptakan batas kembar dalam tembaga (copper) dan menganalisis ruang yang tercipta di antara batas-batas tersebut saat mereka melakukan penelitian.
Hasilnya ternyata amat menarik: tembaga menjadi lebih kuat ketika ruang antarbatas-batas tersebut ukurannya kurang dari 100 nanometer dan akhirnya mencapai puncak kekuatan pada ukuran 15 nanometer. Meski demikian, ketika ruang tersebut mengecil sampai lebih kecil dari 15 nanometer, kekuatan logam tersebut justru berkurang. ”Ini sungguh membingungkan,” tutur Gao.
Komputer super
Karena menjumpai teka-teki baru, Gao dan seorang mahasiswa dari Brown University, Xiaoyan Li, merasa penasaran. Mereka mencoba menggali informasi lebih dalam lagi. Para ilmuwan di Brown University mengulang lagi penelitiannya dengan menggunakan 140 juta atom.
Untuk penelitian yang berskala lebih besar ini, mereka membutuhkan komputer super dari the National Institute for Computational Sciences di Tennessee, yang memungkinkan mereka melakukan penelitian pada batas-batas kembar itu dalam level atom (lebih besar dari skala nano). Mereka terkejut dengan temuan berikutnya.
Dari penelitian tersebut, mereka mendapati suatu fenomena yang sama sekali baru, yaitu suatu dislokasi dengan tingkat keteraturan amat tinggi yang dikendalikan oleh nukleasi telah ”mendikte” (perannya amat menentukan) kekuatan tembaga.
Ciri pola tersebut, yaitu nukleasi, berupa sebuah kelompok atom-atom di dekat pusat dislokasi dan tertata dengan tingkat keteraturan tinggi, dengan pola seperti untaian kalung. ”Mereka tidak berubah, tidak saling mengikuti bentuk yang lain. Mereka amat tertata,” ujar Gao.
Dari percobaan-percobaan mereka dan pemodelan komputer, mereka menyusun teori bahwa pada tingkat skala nano, nukleasi dislokasi bisa menjadi sebuah prinsip pengaturan untuk menetapkan kekuatan atau kelemahan logam. Mereka telah menetapkan sebuah persamaan matematis baru untuk menjelaskan prinsip tersebut.
”Penelitian kami ini untuk pertama kalinya berhasil menyuguhkan sebuah contoh konkret suatu mekanisme deformasi (perubahan bentuk) dalam materi yang berstruktur nano. Hasil penelitian ini bisa diharapkan berdampak secara signifikan dalam bidang ilmu materi,” ungkap Gao.
Peneliti lain yang berkontribusi pada makalah yang dimuat di Nature tersebut adalah Yujie Wei dari University of Alabama dan Ke Lu serta Lei Lu dari Chinese Academy of Sciences. Apa yang dikatakan Gao telah melahirkan sebuah harapan di mana suatu kali nanti di masa depan, kita bisa lebih banyak lagi menciptakan jenis logam berkualitas dengan pilihan yang lebih luas lagi. Itulah manfaat penelitian dan pengembangan ilmu dasar.
Sumbangan teknologi nano sejauh ini telah demikian banyak dan merambah segala bidang, mulai dari ilmu materi hingga ilmu medis. Sementara itu, masih banyak lorong ilmu yang masih gelap yang membutuhkan penelusuran dan perjalanan pencarian yang panjang.
