[Credit:University of Pennsylvania]

Tim engineer dari Penn University telah menunjukkan bahan baru yang mereka sebut sebagai “nanocardboard”, sejenis lapisan ultra tipis yang mirip dengan kertas karton bergelombang. Satu sentimeter persegi nanocardboard beratnya kurang dari seperseribu gram dan dapat kembali ke bentuk semula setelah ditekukkan.

Nanocardboard terbuat dari lembaran film aluminium oksida dengan ketebalan puluhan nanometer (sepersejuta sentimeter), membentuk pelat berongga dengan ketinggian puluhan mikron (seperseribu sentimeter). Struktur sandwich-nya, mirip dengan karton bergelombang, membuatnya lebih dari 10.000 kali lebih keras dari plat padat dengan massa yang sama.

 

Rasio kekakuan spesifik nanocardboard membuatnya ideal untuk aplikasi kedirgantaraan dan robot berukuran mikro, di mana setiap gramnya akan diperhitungkan. Selain sifat mekanik yang belum pernah terjadi sebelumnya, nanocardboard adalah material yang dapat menghambat panas tertinggi, karena kebanyakannya hanya terdiri dari ruang yang kosong.

Pekerjaan di masa depan akan mengeksplorasi fenomena menarik yang dihasilkan dari gabungan berbagai seifat: menyinari  sepotong nanocardboard dengan cahaya memungkinkannya untuk dapat melayang. Panas dari cahaya menciptakan perbedaan suhu antara dua sisi pelat, yang mendorong aliran molekul udara keluar melalui bagian bawahnya.

Igor Bargatin, bersama dengan Chen Lin dan Samuel Nicaise, memimpin penelitian. Mereka berkolaborasi dengan Prashant Purohit, dan timnya. Hasilnya telah dipublikasikan di jurnal Nature Communications .

“Karton bergelombang umumnya merupakan struktur sandwich yang paling dikenal orang,” kata Bargatin. “Ada di mana-mana terutama dalam kegiatan pengiriman karena ringan dan kaku. Tetapi struktur-struktur ini ada di mana-mana; pintu menuju rumah Anda mungkin adalah salah satu dari struktur sandwich, dengan lapisan-lapisan padat di kedua sisinya dan bagian intinya yang lebih ringan, seperti kisi-kisi sarang lebah, di bagian dalam.”

Nanocardboard dibandingkan dengan penampang daun iris [Credit:University of Pennsylvania]

 

Struktur sandwich menarik karena mengurangi berat dari keseluruhan material tanpa menghilangkan kekuatan secara keseluruhan. Ia tidak dapat sepenuhnya berlobang, karena itu akan menyebabkannya menjadi tidak kaku dan rentan terhadap perseseran, ketika ada kekuatan yang menggerakkan kedua fase padatnya dalam arah yang berlawanan.

Komposit sandwich adalah jenis komposit yang dibuat dengan cara menggabungkan material komposit yang sudah jadi secara berlapis dan ditambahkan core (inti) diantara lapisan material komposit (face) tersebut.

“Bahkan jika Anda membuat sesuatu dari blok padat dari bahan yang sama, bagian tengah penampang tidak akan membawa banyak tegangan lentur (bending stress),” kata Purohit. “Tegangan geser, bagaimanapun, maksimum di pusat penampang, jadi selama Anda meletakkan sesuatu di pusat (core) yang sangat baik dalam menahan tegangan geser, seperti sarang lebah, Anda menciptakan sebuah penggunaan yang baik dan efisien dari bahan.”

Komposit sandwich seperti kertas karton bergelombang, dikenal untuk memberikan kombinasi terbaik dari bobot yang rendah dan kekakuan yang tinggi.

“Tidak mengherankan,” kata Nicaise, “evolusi juga telah menghasilkan struktur sandwich alami di beberapa daun tanaman dan tulang hewan, serta pada alga mikroskopis yang disebut diatom.”

Kesulitan penskalaan konsep ini sampai ke dunia nano berkaitan dengan cara lapisan sandwich terhubung pada interiornya.

“Pada skala makro,” kata Bargatin, “Anda bisa menempelkan lembaran kulit muka (face) dan kisi-kisi itu bersama-sama, tetapi pada skala nano, struktur tempat kita bekerja adalah ribuan kali lebih tipis daripada lapisan lem yang mungkin Anda temukan.”

Untuk dibuat secara sempurna, nanocardboard harus monolitik – tersusun dari satu bagian material yang bersebelahan – tetapi bagaimana mendapatkan material seperti itu, lapisan sandwich yang diperlukan belum diketahui.

“Solusi kami adalah mempola filter kami menggunakan lembaran tipis silikon di atas kaca,” kata Metzler. “Dengan membuat pori-pori berdiameter sembilan mikron dan kedalaman seratus mikron, kira-kira setebal rambut manusia, kami akhirnya menemukan sesuatu yang jauh lebih keras dan lebih baik daripada apa yang para peneliti beli masing-masing dengan harga $ 300.”

Ilustras ini menunjukkan pola anmyaman keranjang para peneliti. [Credit:University of Pennsylvania]

 

Proses ini melibatkan pembuatan cetakan silikon padat dengan saluran yang melewatinya. Aluminium oksida secara kimia kemudian dapat disimpan dalam lapisan tebal nanometer di atas silikon. Setelah template terbungkus, nanocardboard dapat dipotong sesuai ukuran. Setelah sisi-sisinya terpapar, silikon di bagian dalam dapat dibentuk, meninggalkan cangkang berongga dari aluminium oksida dengan jaringan tabung yang menghubungkan bagian atas dan bawah lembaran kulit muka (face).

Tim akhirnya menetapkan pada pola anyaman keranjang, saluran berbentuk celah diatur dalam arah bergantian.

Pola anyaman keranjang tidak hanya menjelaskan ketahanannya terhadap kerutan tetapi juga kunci untuk ketangguhan nanocardboard di bawah kelenturan ekstrim.

“Jika Anda menerapkan kekuatan yang cukup, Anda bisa membengkokkan karton bergelombang dengan tajam, tetapi itu akan patah; Anda akan membuat lipatan di mana ia menjadi melemah secara permanen,” kata Bargatin. “Itu yang mengejutkan tentang nanocardboard kami; ketika Anda menekuknya, ia kembali pulih seolah-olah tidak ada yang terjadi. Di mana tidak memiliki preseden [hal yang telah terjadi lebih dahulu dan dapat dipakai sebagai contoh] pada skala makro. “

Sifat mekanis dan termal yang unik sangat penting untuk penggunaan potensial nanocardboard dari selebaran mikro robot hingga ke penghambat panas, di konverter energi dibuat pada skala mikro, karena material akan perlu memulihkan bentuknya terlepas dari apa deformasi atau suhu yang dilaluinya.

Ke depan, para peneliti akan mengeksplorasi ini dan aplikasi lainnya, termasuk yang terinspirasi oleh kemampuan nanocardboard untuk melayang.(ikons.id)