Aplikasi Material

Pada postingan sebelumnya telah dijelaskan mengenai ruang lingkup Fisika Material, selanjutnya pada bagian ini akan dikemukakan beberapa bentuk aplikasi material dalam bidang teknologi yang berkembang dewasa ini.

(a)  Aplikasi Struktural

Aplikasi struktural adalah aplikasi yang membutuhkan material dengan unjuk kerja (performance) mekanik yang baik seperti kekuatan, kekakuan dan kemampuan menahan getaran, baik ketika material tersebut terbebani maupun tidak. Ketika material terbebani (dalam keadaan terpakai), informasi mengenai sifat mekanik secara akurat sangat diperlukan.

        Aplikasi struktural ditemukan pada pembangunan gedung, jembatan, jalan raya, pesawat terbang, kereta api, mobil, mesin, satelit, raket tennis, perabot rumah dan lain sebagainya.

       Selain sifat mekanik, material struktural juga dirancang untuk memiliki sifat yang lain, seperti massa jenis yang kecil (ringan) agar menghemat bahan bakar pada pesawat terbang dan mobil, dan untuk kecepatan tinggi pada sepeda balap. Sifat lain yang tak kalah pentingnya adalah resistansi korosi dan kemampuan untuk menahan suhu tinggi atau siklus termal yang ekstrim ketika material dalam keadaan terpakai.

(b)  Aplikasi Elektronik

Aplikasi elektronik meliputi aplikasi kelistrikan, optik, dan kemagnetan karena sifat listrik, optik dan magnet umumnya ditentukan perilaku elektron. Aplikasi kelistrikan dimanfaatkan untuk komputer, divais elektronika, rangkaian listrik, divais thermolistrik, piezoelektrik, robotik, mesin mikro, dan lain sebagainya. Aplikasi optik berkaitan dengan laser, sumber cahaya, serat optik (material dengan daya serap optik kecil untuk komunikasi dan penginderaan), absorber, pemantul dan transmisi radiasi elektromagnetik, fotografi, fotocopy, penyimpan data optik, holografi, dan pengendali warna.

       Aplikasi magnetik berkaitan dengan transformator, perekam magnetik, memori komputer magnetik, sensor medan magnetik, pelindung magnetik, kereta levitasi magnetik, penjejak magnetik untuk partikel, penyimpan energi magnetik, magnetic resonance imaging, dan spektrometer massa. Perlu dicatat bahwa untuk aplikasi elektronik, semua jenis material memberikan andil yang signifikan. Material semikonduktor merupakan jantung elektronika dan divais optoelektronika. Logam digunakan sebagi kabel penghubung, konektor, kontak listrik, dan sebagainya. Polimer digunakan sebagai bahan dielektrik dan pembungkus kabel. Keramik dipakai sebagai bahan kapasitor, divais thermolistrik, divais piezoelektrik, dan serat optik. 

(c)  Aplikasi Termal

Aplikasi termal meliputi perpindahan panas, baik secara konduksi, konveksi atau radiasi. Perpindahan panas diperlukan pada pemanasan dan pendinginan gedung, proses industri seperti sintering, casting dan annealing, lemari pendingin untuk makanan dan minuman, pendinginan divais elektronika, dan lain sebagainya.

Perpindahan panas dapat diperoleh dengan penggunaan lebih dari satu mekanisme. Sebagai contoh, konduksi dan konveksi paksa digunakan ketika sebuah fluida dipaksa mengalir melewati pori-pori zat padat yang bersifat konduktor termal.
Konduksi termal melibatkan peran elektron, ion, dan/atau foton. Elektron dan ion bergerak dari titik bertemperatur tinggi ke titik bertemperatur rendah dan karena itu memindahkan energi panas. Fonon merupakan vibrasi (getaran) kisi kristal yang juga memindahkan energi panas. Konduksi di dalam logam ditentukan oleh jumlah elektron bebas pada kulit terluar atom penyusunnya. Untuk material intan, proses konduksi diatur oleh fonon, karena elektron bebas tidak tersedia, dan nomor atom karbon (C) yang kecil memperbesar vibrasi kisi. Sebaliknya, polimer merupakan konduktor panas yang buruk kerena elektron bebas tidak tersedia dan ikatan kimia sekunder (gaya Van der Waals) antara molekul sangat lemah sehingga sulit bagi fonon untuk bergerak dari molekul yang satu ke molekul lainnya. Keramik, di lain pihak, cenderung lebih konduktif daripada polimer, dan gerakan elektron dan/atau ion berperan pada konduksi termal.

(b)  Aplikasi Lingkungan

Aplikasi lingkungan berkaitan dengan perlindungan lingkungan dari polusi. Perlindungan tersebut dapat berupa pengeluaran pencemar (pollutant) atau pengurangan jumlah pencemar yang dikeluarkan. Pengeluaran dapat dilakukan dengan cara ekstraksi dari permukan zat padat (misalnya dengan karbon aktif). Pencemar dapat dikurangi dengan mengganti material dan atau proses yang digunakan di dalam industri misalnya dengan material biodegradable (material yang dapat terdegradasi secara alami), dengan material yang dapat didaur ulang, atau dengan mengganti sumber energi dari bahan bakar fosil ke baterai, sel surya dan/atau hidrogen.

         Selama beberapa dekade material yang dikembangkan untuk aplikasi struktural, elektronika, termal dan aplikasi lainnya tidak banyak mempertimbangkan masalah pembuangan dan daur ulang. Dewasa ini disadari bahwa pertimbangan tersebut mesti diambil pada saat pegembangan desain. Material untuk adsorpsi merupakan inti pengembangan material untuk aplikasi lingkungan. Material ini meliputi karbon, zeolit, aerogel dan material berpori lainnya. Kualitas yang diinginkan meliputi kapasitas adsopsi yang besar, ukuran pori yang cukup besar relatif terhadap ukuran molekul dan ion yang akan diserap dapat dibersihkan setelah dipakai.

        Serat karbon aktif sangat penting untuk mengktifkan partikel karbon di dalam fluida dinamik. Akan tetapi material ini sangat mahal. Pori pada permukaan material berperan sebagai lokasi adsorpsi. Secara umum, pori dapat berupa macropores (> 500 Ǻ), mesopores (antara 20 sampai 500 Ǻ), micropores (antara 8 sampai 20 Ǻ) dan nanopores (< 8 Ǻ).

(d)   Aplikasi Biomedis

          Aplikasi biomedis berkaitan dengan diagnosa dan kondisi perlakuan, penyakit, cacad, serta pencegahannya. Hal ini meliputi implantasi (tulang pinggul, katup jantung, kulit, dan gigi), divais operasi dan diagnosa, alat pemacu jantung, elektroda untuk mengumpulkan dan mengirimkan signal optik atau listrik ke dalam tubuh, kursi roda, dan instrumen untuk diagnosa dan analisis kimia (misalnya analisa darah dan air seni). Material implantasi sangat menantang karena material tersebut harus bersifat biocompatible (misalnya terhadap darah), tahan karat, tahan gesekan, dan tidak mudah aus. 

Tweet