Material Baru Ini Lima Kali Lebih Ringan dan Empat Kali Lebih Kuat dari Baja

Indonesains.id - Para peneliti telah mengembangkan bahan yang sangat kuat dengan kerapatan yang sangat rendah melalui pembentukan struktur menggunakan DNA dan kemudian melapisinya dengan kaca.

Material yang memiliki kekuatan dan keringanan memiliki potensi untuk menyempurnakan segala sesuatu mulai dari mobil hingga pelindung tubuh. Tapi biasanya, kedua kualitas itu saling eksklusif. Namun, para peneliti di University of Connecticut, bersama dengan kolaboratornya, kini telah membuat bahan yang sangat kuat namun ringan. Anehnya, mereka mencapai ini dengan menggunakan dua blok bangunan yang tidak terduga: DNA dan kaca.

“Untuk kerapatan tertentu, material kami adalah yang terkuat yang diketahui,” kata Seok-Woo Lee, ilmuwan material di UConn. Lee dan rekannya dari UConn, Columbia University, dan Brookhaven National Lab melaporkan detailnya pada 19 Juli 2023 di jurnal Cell Reports Physical Science.

Para peneliti dari University of Connecticut dan rekannya telah menciptakan bahan yang sangat tahan lama dan ringan dengan menyusun DNA dan kemudian melapisinya dengan kaca. (Kredit: SciTechDaily)

Kekuatan itu relatif. Besi, misalnya, dapat menahan tekanan 7 ton per sentimeter persegi. Namun juga sangat padat dan berat, dengan berat 7,8 gram/sentimeter kubik.

Logam lain, seperti titanium, lebih kuat dan lebih ringan dari besi. Dan paduan tertentu yang menggabungkan banyak elemen bahkan lebih kuat. Bahan yang kuat dan ringan memungkinkan pelindung tubuh yang ringan, perangkat medis yang lebih baik, dan membuat mobil juga pesawat terbang yang lebih aman dan lebih cepat.

Baca Juga:

Cara termudah untuk memperluas jangkauan kendaraan listrik, misalnya, bukan dengan memperbesar baterai melainkan membuat kendaraan itu sendiri lebih ringan tanpa mengorbankan keselamatan dan masa pakai. Tetapi teknik metalurgi tradisional telah mencapai batas dalam beberapa tahun terakhir, dan para ilmuwan material harus menjadi lebih kreatif untuk mengembangkan material baru yang ringan dan berkekuatan tinggi.

Saat ini, Lee dan rekannya melaporkan bahwa dengan membangun struktur dari DNA dan kemudian melapisinya dengan kaca, mereka telah menciptakan bahan yang sangat kuat dengan kerapatan yang sangat rendah.

Kaca mungkin merupakan pilihan yang mengejutkan, karena mudah pecah. Namun, kaca biasanya pecah karena cacat – seperti retakan, goresan, atau atom yang hilang – dalam strukturnya. Satu sentimeter kubik kaca yang sempurna dapat menahan tekanan 10 ton, lebih dari tiga kali tekanan yang meledakkan kapal selam OceanGate Titan di dekat Titanic bulan lalu.

Sangat sulit untuk membuat kaca berukuran besar tanpa cacat. Tetapi para peneliti tahu bagaimana membuat potongan yang sangat kecil tanpa cacat. Selama ketebalan kaca kurang dari satu mikrometer, hampir selalu tanpa cacat. Dan karena kerapatan kaca jauh lebih rendah daripada logam dan keramik, struktur apa pun yang terbuat dari kaca berukuran nano tanpa cela harusnya kuat dan ringan.

Tim menciptakan struktur DNA perakitan sendiri. Hampir seperti Magnatiles, potongan-potongan DNA dengan panjang dan kimiawi tertentu menyatukan diri menjadi kerangka materi. Bayangkan kerangka sebuah rumah atau bangunan, tetapi terbuat dari DNA.

Oleg Gang dan Aaron Mickelson, ilmuwan bahan nano di Universitas Columbia dan Pusat Bahan Nano Fungsional Brookhaven, kemudian melapisi DNA dengan lapisan sangat tipis dari bahan seperti kaca yang tebalnya hanya beberapa ratus atom. Kaca hanya melapisi untaian DNA, meninggalkan sebagian besar volume material sebagai ruang kosong, seperti ruangan di dalam rumah atau bangunan.

“Kemampuan untuk membuat bahan nano kerangka 3D yang dirancang menggunakan DNA dan mineralisasinya membuka peluang besar untuk merekayasa sifat mekanik. Namun masih banyak pekerjaan penelitian yang diperlukan sebelum kita dapat menggunakannya sebagai teknologi,” kata Gang.

Tim saat ini bekerja dengan struktur DNA yang sama tetapi mengganti keramik karbida yang lebih kuat dengan kaca. Bahan masa depan berdasarkan konsep yang sama ini sangat menjanjikan sebagai bahan hemat energi untuk kendaraan dan perangkat lain yang mengutamakan kekuatan. Lee percaya bahwa arsitektur nano origami DNA akan membuka jalur baru untuk menciptakan material yang lebih ringan dan kuat yang tidak pernah kita bayangkan sebelumnya.

“Saya penggemar berat film Iron Man, dan saya selalu bertanya-tanya bagaimana cara membuat baju besi yang lebih baik untuk Iron Man. Pasti sangat ringan baginya untuk terbang lebih cepat. Pasti sangat kuat untuk melindunginya dari serangan musuh. Bahan baru kami lima kali lebih ringan tetapi empat kali lebih kuat dari baja. Jadi, kisi-kisi nano kaca kami akan jauh lebih baik daripada bahan struktural lainnya untuk menciptakan pelindung yang lebih baik untuk Iron Man,” pungkas Lee.

Temuan ini telah dipublikasikan di jurnal Cell Reports Physical Science pada 19 Juli 2023 berjudul “High-strength, lightweight nano-architected silica.”

*****