Perkembangan Material Maju dan Material Cerdas

Perkembangan Material Maju dan Material Cerdas

Definisi dari material maju atau cerdas menurut advanced material sector report (2004) merupakan material dan modifikasi dari material yang sudah ada untuk memperoleh performa yang superior pada satu karakter atau lebih. Material maju dapat memperlihatkan kekuatan yang lebih besar dari material biasa, rasio densitas kekuatan yang jauh lebih tinggi, kekerasan yang lebih besar dan lebih unggul pada sisi termal, elektrikal, optikal atau ciri-ciri kimiawi ketika dibandingkan material tradisional.

Material cerdas adalah suatu nama yang umum untuk sekelompok berbagai zat yang memiliki struktur maupun unsur yang berbeda. Bentuk atau struktur umum dari semua material cerdas adalah kenyataannya bahwa dari satu atau lebih sifat yang dimilikinya memungkinkan untuk diubah sacara bermakna dalam kondisi terkendali. Zaman sekarang telah dianggap era material cerdas. Sebelumnya, material cerdas didefinisikan sebagai materi yang dapat merespon lingkungan sekitarnya diwaktu yang tepat. Namun definisi material cerdas atau maju telah diperluas untuk bahan atau material yang dapat menerima, memproses stimulus serta merespon dengan memproduksi hal-hal yang berguna.

Pada awal mula adanya material cerdas tentunya dimulai dari nanomaterial dan teknologi nano. teknologi nano pertama kali diteliti oleh Norio Taniguchi pada 1940, kemudian dilanjutkan oleh fisikawan Amerika Serikat, Richard Feynman, hingga ia meraih Nobel Fisika tahun 1965. Miniaturisasi material ke orde molekuler itu awalnya demi memenuhi tuntutan pengecilan ukuran perangkat mikroelektronika dan komputer sesuai keinginan pasar. Namun, material nano juga diterapkan pada beragam produk makanan, obat-obatan, dan kosmetik.

Pemakaian material cerdas telah dipelopori oleh Bailey dan Hubbard (1985) untuk pengendalian getaran balok kantilever. Mereka menggunakan Polyvinilide Fluoride (PVF2) sebagai polimer piezoelektrik yang akan dilekatkan pada suatu permukaan balok kantilever untuk mendapat perancangan  getaran  umpan  balik.  Pada  tahun  1987  Crawley  dan  de  Luis mempresentasikan  pengembangan  analitis  dan  percobaan  aktuator  piezoelektrik sebagai  penggetar. Penggunaan  model Polyvinide Fluoride (PVF2) yang dilekatkan pada permukaan balok kantilever,  mereka  kembangkan  hubungan dan pengaplikasian  tegangan‐regangan. Crawley dan de Luis dapat memprediksi displasemen balok kantilever nyata dan  susunan  aktuator  piezoelektrik  dalam  kondisi  getaran  resonansi.  Clark  et  al (1991) melakukan percobaan pada balok dengan tumpuan sederhana (simply supported) oleh pasangan aktuator piezoelektrik yang dilekatkan dengan sisi lain dan membandingkan hasil uji prediksi teoritis menggunakan persamaan balok satu dimensi diubah dengan memasukkan pengaruh kristal piezoelektrik. Thompson (2000), memakai model Bailey dan  Hubbart  untuk  memodelkan  hubungan  regangan  aktuator  dengan  voltage tegangan. Model ini dipakai untuk pengendalian posisi ujung balok kantilever.

Material cerdas dapat diklasifikasikan menjadi dua kategori yaitu material cerdas yang aktif dan material cerdas yang pasif. Fairweather (1998), mendefinisikan material cerdas sebagai bahan yang memiliki kapasitas  untuk dapat mengubah bentuk dan struktur geometris ataupun sifat material yaitu penerapan listrik, bidang termal atau magnet, sehingga dapat mengakuisisi kapasistas yang melekat dalam transduce energy. Bahan piezoelektrik, SMA, Elecrostrictive, cairan ER dan bahan magneto-strictive dianggap sebagai material cerdas yang aktif,. Oleh karena itu, bahan-bahan tersebut dapat digunakan sebagai transducer kekuatan dan aktuator. Kumar (1991) menunjukkan bahwa SMA memiliki besar kekuatan pemulihan dalam memperbaiki strukturnya dari 700 Mpa (105 psi), yang bisa dimanfaatkan untuk aktuisi. Demikian pula bahan piezoelektrik juga aktif dalam mengubah energi listrik menjadi berperilaku mekanik. Bahan yang tidak aktif disebut sebagai material cerdas pasif. Meskipun dinamakan material cerdas, material ini tidak memiliki kemampuan melekat dalam transduce energi. Serat bahan optik adalah salah satu contoh dari material yang pasif. Bahan tersebut bisa bertindak sebagai sensor tetapi tidak dapat bertindak sebagi aktuator ataupun transduser.

Suatu material dapat digolongkan dalam material cerdas jika memenuhi kualisifikasi yang terkait dalam 5 sifat berikut ini :

  1. Sifat teknis, yaitu termasuk dalam karakteristik mekanis seperti aliran listrik, kelelahan dan kekuatan peluruhan dan karakteristik perilaku seperti listrik, memulihkan kerusakan, panas, dan tahan api;
  2. Sifat teknologi, yaitu meliputi kemampuan pengelasan, manufaktur, pengolahan termal, kapasitas tingkat limbah, otomatisasi dan perbaikan;
  3. Kriteria ekonomi, terkait dengan bahan baku dan biaya produksi, biaya pasokan dan ketersediaan;
  4. Karakteristik lingkungan, yaitu termasuk fitur seperti toksisitas dan polusi; dan
  5. Kriteria pembangunan berkelanjutan, yaitu penggunaan kembali dan kapasitas daur ulang.


Material maju dapat dihasilkan melalui modifikasi bentuk struktur ataupun ikatan molekul suatu unsur alam hingga sifatnya menjadi jauh lebih baik, bahkan superior. Berikut adalah penggolongan material maju yang sering digunakan :

  1. Besi dan alloy seperti biasanya dipergunakan untuk pesawat terbang dan digunakan sebagai bahan dasar mobil di industri pertahanan. Selain itu dikembangkan juga pada besi amorf berdasar campuran  (alloys) yang dikombinasikan dengan liquid metal  yang menghasilkan kekuatan yang lebih besar, diestimasikan akan menjadi dua sampai tiga kali lebih kuat daripada besi terbaik. Dan juga lebih ringan daripada aluminium atau titanium akan tetapi lebih murah daripada material komposit.
  2. Structural ceramic, jika keramik konvensional merupakan isolator maka keramik oksida dapat menghasilkan superkonduktor contohnya intan dan silicon carbide yang memunyai konduktivitas termal tinggi daripada aluminium atau tembaga. 
  3. Polimer bermanfaat dalam mengurangi noise industri aerospace, transportasi, konstruksi, medis, marine
  4. Komposit maju merupakan perpaduan dari satu atau dua material yang berbeda baik dari sifat fisik dan kimiawinya dan menghasilkan material dengan sifat yang sangat berbeda. Biasanya komposit ini dipergunakan untuk material bangunan yaitu semen. 
  5. Elektronik, magnetic dan material optic seperti semikonduktor dimanfaatkan sebagai Integrated electronic circuit, devais optoelektronik dan juga untuk photovoltaic.  
  6. Medis dan dental material seperti alumina dan calcium phosphate glasses and carbon fibre reinforced polylactic acid composites.
  7. Material katalis.
  8. Material untuk bahan bangunan. 


Untuk dapat memanfaatkan dan mengenbangkan beberapa contoh dari material maju diatas, maka perekayasaan material perlu dilakukan dengan mengembangkan serangkaian teknologi, di antaranya teknologi nano: cara membuat zat berskala nanometer atau sepersejuta milimeter. Apabila partikel renik disisipkan diantara parikel yang berukuran mikron, maka akan menghasilkan material baru yang sangat kuat, bisa meningkatkan struktur material yang kokoh, memiliki energi yang besar, bersifat konduktor, dapat menghantarkan listrik dan meningkatkannya dan sifat kemagnetannya.
Material maju merupakan material yang dikembangkan untuk memenuhi kebutuhan spesifik dalam menanggapi persyaratan baru akibat dari perubahan yang spesifik dalam pasar ataupun faktor lain yang menunjang material maju sangat dibutuhkan antara lain untuk kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi sehingga dapat menunjang meningkatnya kualitas teknologi yang berbasis nanomaterial dan nanoteknologi. Berikut adalah pemanfaatan dan pengaplikasian material cerdas :

1. Energi 

  • Sel surya
  • Reaktor nuklir
  • Penyimpanan energi

2. Manufaktur 

  • Nano material
  • Superkonduktor dan semikonduktor untuk TIK
  • Alloy, komposit, polimer untuk keperluan kendaraan (mobil listrik, pesawat terbang, kapal)

3. Teknologi kesehatan

  • Untuk keperluan gigi palsu
  • Pemantauan kesehatan struktural

4. Teknologi pangan
5. Dibidang pertahanan dan ruang angkasa
6. Di industri nuklir
7. Dalam rekayasa struktural
8. Biomedis
9. Mengurangi limbah

Material maju yang juga meluas aplikasinya adalah polimer dan keramik oksida, di antaranya digunakan membuat membran atau sistem penyaring. Pengembangan teknologi itu, antara lain, menghasilkan sistem penyaring air laut dalam sistem destilasi dan alat cuci darah. Berbagai aplikasi membran itu ditunjang pembuatan pori ukuran nano.



DAFTAR PUSTAKA

Arkhas, Georges. 2000. Smart Material and Smart System for The Future. Canadian Millitary Journal. Hal: 25-26.

Ikawati, Yuni. 2014. Riset Material; Langkah Maju Rekayasa Material Maju. http://rumahpengetahuan.web.id/riset-material-langkah-maju-rekayasa-material-maju/. 28 juni 2016

Kamila, Susmita. 2013. Introduction, Classification, and Application of Smart Materials: An Overview. American Journal of Applied Sciences. Hal: 876-880.

Ristek. 2010. BUKU PUTIH Penelitian, Pengembangan, dan Penerapan IPTEK 2005-2025 Bidang Teknologi Material Maju Edisi Revisi 2010. Jakarta : Kementerian Riset dan Teknologi Republik Indonesia (www.ristek.go.id).

Ristek. 2013. Material Maju, Advanced Materials. http://slideplayer.info/slide/2619390/. 28 juni 2016.

Yulianto, Totok. dkk. 2004. Simulasi Pengendalian Struktur Berbasis pada Material Cerdas. Seminar Nasional Matematika dan Pendidikan Matematika Jurusan Pendidikan Matematika FMIPA UNY. Yogyakarta : 5 Desember 2009.