Senin, 12 Mei 2008

Mengenal Nanoteknologi Molekular,Teknologi Masa Depan

1. Pengantar
setelah pada bagian pertama ideal dan tujuan nanoteknologi diulas secara singkat, pada bagian kedua ini, akan dijelaskan riset-riset yang telah dilakukan orang untuk mencapai ideal nanoteknologi molekular tersebut. Seperti telah dijelaskan pada tulisan pertama, tujuan akhir yang hendak dicapai oleh nanoteknologi molekular atau manufaktur molekular amatlah sulit dan memiliki kendala-kendala yang belum bisa
dipecahkan penuh dengan perkembangan iptek manusia saat ini. Sekalipun tujuan akhir
nanoteknologi molekular untuk merekayasa produk(baik nano, mikro, maupun makro) dengan presisi molekular /atomik belum tercapai, yang jelas riset nanoteknologi saat
ini telah memberikan pengaruh nyata pada pengembangan cabang-cabang sains dan
teknologi “tradisional”. Beberapa bidang iptek yang dipengaruhi atau mempengaruhi perkembangan nanoteknologi molekular antara lain elektronika molekular, rekayasa molekular biomolekul, scanning probe microscopy, kimia supramolekul dan swa-rakit (self-assembly), ilmu dan rekayasa material, mekanosintesis, mesin molekular alami,
mesin molekular buatan, sistem swa-replikasi buatan, kimia komputasi dan pemodelan molekular,ilmu komputer, rekayasa mekanik dan robotik, serta ilmu-ilmu tentang sistem kimia yang relevan pada skala nanometer (seperti fulleren, intan/diamond,biomolekul, dll.).Berikut ini akan diuraikan secara singkat kontribusi riset nanoteknologi pada bidang-bidang di atas, atau sebaliknya, kontribusi bidang-bidang di atas pada pengembangan nanoteknologi.
2. Molecular Electronics
Molecular electronics adalah teknologi elektronika yang menggunakan bahan-bahan organik (organic soft material), sebagai komponen-komponennya, bukan dengan bahan-bahan semikonduktor inorganik (hard material). Penghargaan Nobel bidang kimia tahun 2000 yang lalu diberikan kepada para perintis bidang ini yang telah berjasa menemukan conductive polymer dari bahan polyacetylene [1]. Dibandingkan dengan
elektronika berbasis bahan inorganik, elektronika molekular memiliki keunggulan antara lain diproduksi dengan wet chemistry, seperti metode-metode kimia lainnya, yaitu dengan reaksi dalam pelarut, dan dapat dilakukan pada suhu dan variabel lingkungan yang tidak terlalu ekstrim.Bandingkan dengan proses semikonduktor inorganik yang seringkali membutuhkan proses khusus, dengan temperatur tinggi, atau keadaan ultra vakum. Di samping itu, keunggulan lainnya adalah karena diproduksi dengan metode kimia yang relatif lebih bottom-up dibandingkan elektronika bahan inorganik,
komponen-komponennya dapat didesain dari awal,dari bawah, yaitu dari atom atau molekul pembentuknya, untuk mendapatkan physical property yang diinginkan. Kemudian, karena pada dasarnya yang menjadi komponen adalah molekul,
maka kemungkinan miniaturisasi hingga level nanometer atau molekular dimungkinkan, yang jika diaplikasikan pada rekayasa prosesor computer akan berpengaruh pada kecepatan proses, dan kehematan energi. Hal seperti ini tidak bias dilakukan pada semikonduktor inorganik (seperti Si), yang membawa sifat elektroniknya dalam bentuk kristal, bukan molekular. Beberapa contoh devais elektronik yang dibuat dengan dari bahan organik untuk elektronika molecular.
3. Biochemical Molecular Engineering
Seperti telah diungkap sedikit pada tulisan pertama,sistem yang ada pada makhluk hidup adalah contoh nyata realisasi nanoteknologi. Karena itu salah satu cara mewujudkan nanoteknologi adalah dengan meniru sistem yang ada pada makhluk hidup, atau bahkan menggunakan mesin-mesin nano pada makhluk hidup untuk keperluan rekayasa nanoteknologi. Protein adalah salah satu biomolekul yang telah sering dimanipulasi dan direkayasa dengan teknik rekayasa genetika, sehingga istilah protein engineering pun muncul.Sayangnya, hingga saat ini protein engineering masih terbatas pada modifikasi dari protein yang ada di alam. Metode untuk rekayasa protein ab
initio dengan komputer tengah dikembangkan orang, sekalipun masih terbatas pada oligopeptida,yaitu rangkaian beberapa hingga puluhan asam amino (protein alami memiliki puluhan hingga ratusan rantai asam amino).. Selain itu, peptida
yang dapat mengenali dan terikat ke permukaan berbagai jenis semikonduktor telah pula dibuat orang dengan teknik evolusi buatan.Selain itu, DNA telah pula direkayasa sebagai salah satu andalan di nanobioteknologi. Penjepit molekular (molecular tweezer) dari molekul DNAtelah pula dilaporkan .Dengan menambahkan pasangan molekul DNA yang sesuai (yang dapatberikatan menurut aturan Watson-Crick, Adenin berikatan dengan Thymin, dan Cytosin berikatan dengan Guanin), penjepit berbahan DNA ini dapat
dibuat bergerak. Selain itu, dengan bantuan DNA yang memiliki sifat unik tersebut, swa-rakit dari nanokristal dapat diarahkan untuk membentuk konfigurasi tertentu. Riset sejenis dengan menggunakan streptavidin dan biotin (protein) juga dilaporkan oleh kelompok Fitzmaurice.Sementara itu, penggunaan DNA sebagai kawat molekular yang dapat menghantarkan elektron juga diteliti para ilmuwan . Aplikasi lain molekul
DNA adalah sebagai alat komputasi, dengan munculnya apa yang disebut komputasi DNA.Sementara itu, penggunaan instrumen atau perangkat hasil nanoteknologi sendiri untuk meneliti biomolekul banyak pula dilakukan orang, misalnya dengan menggunakan AFM, STM, atau SNOM (Scanning Near Field Microscopy).
4. Scanning Probe Microscopy (SPM)
Instrumen yang termasuk dalam mikroskopi ini adalah AFM, STM, dan SNOM. Ketiganya telah sering digunakan para ilmuwan untuk mengamati atom dan molekul atau nanostruktur. Namun dalam kaitannya dengan manufaktur molekular, ketiga instrumen ini dapat pula digunakan untuk memanipulasi atom, molekul dan material untuk membuat nanostruktur. Sebagai contoh, AFM telah digunakan untuk membentuk nanostruktur dari Self-Assembled Monolayers alkanethiol di atas permukaan substrat emas, menggunakan teknik yang disebut dip-pen nanolitography . Disebut dip-pen karena prinsip kerjanya yang mirip pena yang dicelupkan ke dalam tinta, lalu digunakan untuk menulis.Selain itu, STM telah pula digunakan untuk memodifikasi nanostruktur pada permukaan Silicon, dan mengontrol reaksi kimia pada suatu molekul secara selektif dan terlokalisasi.
5. Supramolecular Chemistry
Dari cabang sains yang satu ini, banyak sekali metode yang dapat dan telah diterapkan untuk riset nanoteknologi. Sebagai contoh, teknik untuk membuat nanostruktur berdasarkan prinsip swa-rakit (self-assembly) telah dipelopori oleh kelompok Whitesides dari Harvard University .Prinsip mereka dinamai soft-lithography, karena menggunakan metode kimia-basah untuk membuat pola nanostruktur. Teknologi konvensional biasanya memakai photolitography yang menggunakan mask dan penyinaran pada panjang gelombang tertentu. Metode yang dikembangkan Whitesides
menggunakan “stempel” berbahan PDMS (Polydimethylsiloxane, sejenis polimer).
6. Sains dan Rekayasa Material
Paradigma rekayasa material setidaknya telah mengubah cara desain material, tidak lagi berdasarkan coba-coba melulu, melainkan mulai menerapkan pula rekayasa kuantum dengan simulasi komputer, lalu membangun atom demi atom, kristal demi kristal, dan seterusnya. Metode eksperimen yang dipakai untuk membangun nanostruktur atom demi atom adalah Molecular Beam Epitaxy (MBE). Sayangnya, metode ini baru
memungkinkan kontrol 2 dimensi, dan belum
7. Mekanosintesis
Bidang inilah yang sebetulnya ingn dituju oleh molecular manufacturing. Mekano sintesis berarti pendekatan mekanik pada dunia molekul. Jika ingat tangan-tangan robot yang ada di pabrik-pabrik mobil Jepang, maka seperti itulah pendekatan mekanosintesis, hanya saja pada level yang jauh lebih kecil. “Tangan robot nano” seperti itulah yang
akan menjadi assembler seperti yang dijelaskan ditulisan pertama. Ujung tangan robot direkayasa agar dapat “menarik dan melepas” atom atau molekul yang digunakan sebagai “bahan bangunan” dunia nano. Sayangnya alat seperti itu masih belum ada,dan saat ini pendekatan mekanosintesis masih menggukan teknik SPM, yang sebenarnya masih termasuk instrumen dunia makro.
8. Mesin Molekular Alami dan Buatan
Maksud bidang ini adalah membuat padanan dari mesin/alat mekanik dunia makro, pada dunia nano atau level molekular. Sebagai contoh motor dari biomolekul, tepatnya F1-ATPase, telah dilaporkan digunakan untuk menggerakkan nanopropeller dari
bahan Ni. Sementara itu nanomotor buatan dari bahan organik telah pula dilaporkan , dan
nanomotor dari alloy inorganik pun telah mulai diteliti.
9. Kimia Komputasi dan Pemodelan Molekular
Sekalipun sebagian besar mesin nano yang diinginkan belum terealisasi, secara teoretis,mesin-mesin nano tersebut mungkin untuk dibuat.Di sinilah, komputasi berperan untuk menghitung secara termodinamika atau dinamika molekular,seberapa mungkin suatu nanostruktur dapat dibangun. Simulasi computer digunakan untuk mendesain differential gear nanometer.
10. Sistem Nanoteknologi lainnya
Selain sistem-sistem yang telah disebut di atas, ada pula sistem lainnya yang terkait dengan perkembangan nanoteknologi akhir-akhir ini. Carbon Nanotube adalah salah satu di antaranya, kemudian dendrimer, nanowire magnetik
untuk memory ultra-padat , dan lain-lain.
Prospek Masa Depan
Melihat apa yang telah dicapai para ilmuwan dengan riset-riset nanoteknologinya dan membandingkannya dengan ideal dan gol yang ingin dicapai nanoteknologi molekular, seperti yang diulas pada tulisan pertama, memang masih jauh perjalanan yang harus ditempuh. Tapi,perkembangan terbaru dalam mekanosintesis dengan SPM , serta exponential self-assembly memberi harapan bahwa bidang ini masih akan terus berkembang. Memang nanoteknologi saat ini adalah bagaikan teknologi informasi atau
bioteknologi ketika masih baru lahir sekitar 30 tahun yang lampau. Sekalipun demikian, hasil riset nanoteknologi saat ini telah menghasilkan peningkatan kualitas pada sistem-sistem konvensional, seperti pada memori magnetic ultra-padat, biosensor DNA yang sensitive dengan nanokristal , dan nanotube .
Kesimpulan
Pada tulisan ini, status pengembangan nanoteknologi telah diulas. Sekalipun masih jauh dari mimpi yang diulas pada tulisan pertama, yang jelas, nanoteknologi telah diakui sebagai salah satu tonggak teknologi abad ini, selain teknologi
informasi, dan bioteknologi. Nanoteknologi menawarkan kontrol molekular atas material,
seperti teknologi informasi menawarkan control penuh atas data dan informasi, atau seperti bioteknologi telah menwarkan rekayasa atas jasad hidup.
Referensi
keterangan tentang ini dapat dilihat di
http://www.nobel.se/chemistry/laureates/2000/press.
html