Ion Superhighways: Terobosan Nanoteknologi yang Mendukung Teknologi Masa Depan
Para peneliti telah mempercepat pergerakan ion secara signifikan menggunakan nanoteknologi, yang berpotensi meningkatkan teknologi mulai dari pengisian baterai hingga biosensing.
Terobosan di Washington State University dan Lawrence Berkeley National Laboratory ini melibatkan pembuatan saluran nano yang dilapisi dengan molekul yang menarik ion, memungkinkan mereka bergerak sepuluh kali lebih cepat dari sebelumnya. Perkembangan ini dapat merevolusi penyimpanan energi dan membantu mendeteksi polutan lingkungan atau aktivitas neurologis.
Memecahkan Rekor Kecepatan Dengan Nanosains
Para peneliti telah memecahkan rekor kecepatan dalam nanosains, membuka potensi kemajuan di berbagai bidang seperti pengisian baterai yang lebih cepat, biosensing, robotika lunak, dan komputasi neuromorfik.
Di Washington State University dan Lawrence Berkeley National Laboratory, para ilmuwan telah menemukan metode untuk meningkatkan pergerakan ion lebih dari sepuluh kali lipat dalam campuran konduktor ion-elektronik organik. Bahan unik ini menggabungkan sinyal ion yang digunakan oleh sistem biologis, seperti tubuh manusia, dengan sinyal elektron yang ditemukan di komputer modern.
Inovasi Gerakan Ion untuk Material Tingkat Lanjut
Diterbitkan pada 19 November di Materi Lanjutanterobosan ini bergantung pada molekul yang memandu dan mengkonsentrasikan ion ke dalam saluran nano khusus, yang secara efektif menciptakan “jalan raya super ion” kecil yang secara drastis mempercepat pergerakannya.
“Mampu mengendalikan sinyal-sinyal yang digunakan kehidupan sepanjang waktu dengan cara yang belum pernah bisa kita lakukan adalah hal yang cukup ampuh,” kata Brian Collins, fisikawan WSU dan penulis senior studi tersebut. “Percepatan ini juga dapat memberikan manfaat bagi penyimpanan energi, yang dapat memberikan dampak besar.”
Dampak terhadap Teknologi dan Penyimpanan Energi
Jenis konduktor ini memiliki banyak potensi karena memungkinkan pergerakan ion dan elektron sekaligus, yang sangat penting untuk pengisian baterai dan penyimpanan energi. Mereka juga mendukung teknologi yang menggabungkan mekanisme biologis dan listrik, seperti komputasi neuromorfik, yang berupaya meniru pola pikir di otak dan sistem saraf manusia.
“Mampu mengendalikan sinyal-sinyal yang digunakan kehidupan sepanjang waktu dengan cara yang belum pernah bisa kita lakukan adalah hal yang cukup ampuh.”
Brian Collins, fisikawan, Universitas Negeri Washington
Namun, bagaimana tepatnya konduktor ini mengkoordinasikan pergerakan ion dan elektron belum dipahami dengan baik. Sebagai bagian dari penyelidikan penelitian ini, Collins dan rekan-rekannya mengamati bahwa ion-ion bergerak di dalam konduktor secara relatif lambat. Karena pergerakannya yang terkoordinasi, pergerakan ion yang lambat juga memperlambat arus listrik.
Perkembangan Strategis dalam Nanoteknologi
“Kami menemukan bahwa ion-ion yang mengalir baik-baik saja di dalam konduktor, namun mereka harus melalui matriks ini, seperti saluran pipa yang menjadi sarang tikus agar elektron dapat mengalir. Itu memperlambat ion-ion,” kata Collins.
Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti membuat saluran lurus berukuran nanometer hanya untuk ion. Kemudian, mereka harus menarik ion-ion tersebut ke dalamnya. Untuk itu mereka beralih ke biologi. Semua sel hidup, termasuk yang ada di tubuh manusia, menggunakan saluran ion untuk memindahkan senyawa masuk dan keluar sel, sehingga tim Collins menggunakan mekanisme serupa yang ditemukan di sel: molekul yang menyukai atau membenci air.
Merintis Transportasi Ion yang Lebih Cepat
Pertama, tim Collins melapisi saluran tersebut dengan molekul hidrofilik yang menyukai air yang menarik ion-ion terlarut dalam air, yang juga dikenal sebagai elektrolit. Ion-ion tersebut kemudian bergerak sangat cepat melalui saluran – dengan kecepatan sepuluh kali lebih cepat dibandingkan jika mereka bergerak melalui air saja. Pergerakan ion mewakili rekor dunia baru untuk kecepatan ion dalam material apa pun yang harus didokumentasikan.
Sebaliknya, ketika para peneliti melapisi saluran tersebut dengan molekul hidrofobik yang menolak air, ion-ion menjauh dan terpaksa melakukan perjalanan melalui “sarang tikus” yang lebih lambat.
Tim Collins menemukan bahwa reaksi kimia dapat mengubah daya tarik molekul terhadap elektrolit. Hal ini akan membuka dan menutup jalan raya super ion, sama seperti sistem biologis mengontrol akses melalui dinding sel.
Arah dan Penerapan Masa Depan
Sebagai bagian dari penyelidikan mereka, tim menciptakan sebuah sensor yang dapat dengan cepat mendeteksi reaksi kimia di dekat saluran tersebut karena reaksi tersebut akan membuka atau menutup jalan raya ion yang menghasilkan pulsa listrik yang dapat dibaca oleh komputer.
Kemampuan deteksi ini pada a skala nano dapat membantu merasakan polusi di lingkungan, atau neuron yang aktif di tubuh dan otak, yang merupakan salah satu dari banyak potensi pemanfaatan pengembangan ini, kata Collins.
“Langkah selanjutnya adalah mempelajari semua mekanisme mendasar tentang cara mengendalikan pergerakan ion ini dan membawa fenomena baru ini ke dalam teknologi dalam berbagai cara,” katanya.
Referensi: “Peningkatan Bahan Kimia Lokal dan Gerbang Transportasi Ionik-Elektronik Terkoordinasi Organik” oleh Tamanna Khan, Terry McAfee, Thomas J. Ferron, Awwad Alotaibi dan Brian A. Collins, 19 November 2024, Materi Lanjutan.
DOI: 10.1002/adma.202406281
Penelitian ini didukung oleh National Science Foundation. Selain Collins, peneliti dalam penelitian ini termasuk penulis pertama Tamanna Khan, rekan penulis Thomas Ferron dan Awwad Alotaibi dari WSU serta Terry McAfee dari Lawrence Berkeley National Laboratory.
