Mimpi Buruk Air Terburuk: Munculnya Bahan Superhidrofobik
Material baru dengan daya tolak air yang hampir sempurna menawarkan potensi pembersihan mandiri pada permukaan mobil dan gedung.
Para ilmuwan dari Institut Teknologi Karlsruhe (KIT) dan Institut Teknologi India Guwahati (IITG) telah mengembangkan bahan permukaan yang hampir sepenuhnya dapat menolak tetesan air. Dengan menggunakan proses yang sepenuhnya inovatif, mereka mengubah kerangka logam-organik (MOF) – material yang dirancang secara artifisial dengan sifat baru – dengan mencangkok rantai hidrokarbon. Sifat superhidrofobik (sangat anti air) yang dihasilkan menarik untuk digunakan sebagai permukaan yang dapat membersihkan sendiri dan harus tahan terhadap pengaruh lingkungan, seperti pada mobil atau arsitektur. Studi ini dipublikasikan di Cakrawala Material jurnal.
Permukaan Superhidrofobik dari MOF
Kerangka logam-organik (MOFs) terbuat dari ion logam yang dihubungkan oleh penghubung organik, membentuk struktur berpori seperti spons. Luas permukaannya yang luar biasa – hanya dua gram yang dapat menutupi ukuran lapangan sepak bola – menjadikannya berharga untuk aplikasi seperti penyimpanan gas, pemisahan karbon dioksida, dan teknologi medis canggih.
Di luar pori-pori internalnya, permukaan luar MOF juga menawarkan sifat unik. Para peneliti menyempurnakan permukaan ini dengan mencangkokkan rantai hidrokarbon ke film tipis MOF, menciptakan bahan anti air dengan sudut kontak lebih dari 160 derajat. Sudut kontak yang lebih tinggi berarti hidrofobisitas yang lebih baik, karena tetesan air berbentuk hampir bulat dan tidak menyebar.
“Dengan metode kami, kami dapat mencapai permukaan superhidrofobik dengan sudut kontak yang jauh lebih tinggi dibandingkan permukaan halus dan pelapis lainnya,” jelas Profesor Christof Wöll dari Institut Antarmuka Fungsional KIT. “Meskipun sifat pembasahan partikel bubuk MOF telah dieksplorasi sebelumnya, penggunaan film tipis MOF monolitik untuk tujuan ini merupakan konsep yang inovatif.”
Material “Superhidrofobik” Generasi Berikutnya
Tim mengaitkan hasil ini dengan susunan seperti sikat (sikat polimer) pada rantai hidrokarbon di MOF. Setelah dicangkokkan ke bahan MOF, bahan-bahan tersebut cenderung membentuk “kumparan” – suatu keadaan yang tidak teratur yang oleh para ilmuwan disebut sebagai “keadaan entropi tinggi,” yang penting untuk sifat hidrofobiknya. Para ilmuwan menegaskan bahwa keadaan rantai hidrokarbon yang dicangkokkan ini tidak dapat diamati pada material lain.
Sungguh luar biasa bahwa sudut kontak air tidak meningkat bahkan ketika mereka menggunakan rantai hidrokarbon perfluorinasi untuk pencangkokan, yaitu mengganti atom hidrogen dengan fluor. Pada bahan seperti Teflon, perfluorinasi menghasilkan sifat superhidrofobik. Namun, pada material yang baru dikembangkan, hal ini menurunkan sudut kontak air secara signifikan, seperti yang ditemukan oleh tim. Analisis lebih lanjut dalam simulasi komputer menegaskan bahwa molekul yang mengalami perfluorinasi – berbeda dengan rantai hidrokarbon – tidak dapat mengasumsikan keadaan entropi tinggi yang menguntungkan secara energetik.
Wawasan dari Kekasaran Permukaan dan Analisis Teoritis
Selain itu, para ilmuwan memvariasikan kekasaran permukaan sistem mereka dalam kisaran nanometer, sehingga semakin mengurangi kekuatan adhesi air. Bahkan dengan sudut kemiringan yang sangat kecil, tetesan air mulai bergulir, dan sifat hidrofobik serta pembersihannya meningkat secara signifikan.
“Pekerjaan kami juga mencakup analisis teoretis terperinci, yang menghubungkan perilaku tak terduga yang ditunjukkan dalam eksperimen dengan keadaan entropi tinggi dari molekul yang dicangkokkan ke film MOF,” kata Profesor Uttam Manna dari departemen Kimia IITG. “Studi ini akan mengubah desain dan produksi material generasi berikutnya dengan sifat hidrofobik yang optimal.”
Referensi: “Fungsionalisasi film tipis MOF monolitik dengan rantai hidrokarbon untuk mencapai permukaan superhidrofobik dengan kekuatan adhesi air yang dapat diatur” oleh Evgenia Bogdanova, Modan Liu, Patrick Hodapp, Angana Borbora, Wolfgang Wenzel, Stefan Bräse, André Jung, Zheqin Dong, Pavel A. Levkin, Uttam Manna, Tauhid Hashem dan Christof Wöll, 15 November 2024, Cakrawala Material.
DOI: 10.1039/D4MH00899E
