Makalah Material Cerdas

MAKALAH MATERIAL CERDAS

Anggota : Maharani Devi Dhieniaty

2413100101

Muhammad Thoriq Azmi

2414100023

Pieter Karunia Deo

2414100068

Kadek Sunantara

2414100098

Amalia Puruhita

2414100119

DEPARTEMEN TEKNIK FISIKA FAKULTAS TEKNOLOGI INDUSTRI INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA 2017

BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Pada zaman sekarang ini, perkembangan teknologi semakin pesat guna memudahkan  pekerjaan manusia. Tetapi, masih ada yang memanfaatkan tenga manusia. Contohnya terjadi  pada Luke Lamont. Luke Lamont adalah seorang pembersih jendela pencakar langit di Melbourne, termasuk Eureka Tower, yang merupaakn gedung tertinggi di ota Melbourne, Australia. Pekerjaan sebagai pemberih gedung bertingkat memiliki resio yang besar. tiongkok pernah melaporkan kejadian yang menimpa dua pekerja pembersih kaca, berayunan dari satu sisi ke sisi yang lain seperti pendulum oleh sapuan angin kencang selama 20 menit di Greenland Center, Xi’an, provinsi Shaanxi. Dari ketinggian 270 meter gedung pencaka r langit yang difungsikan sebagai pusat komersi itu, du pekerja tersebut membersihkan kaca d lantai 12 dan 15 gedung itu akhirnya meninggal. Berdasarkan pengalaman tersebut, resiko yang dihadapi para pekerja pembersih kaca gedung pencakar langit dapat dihindari dengan meniru mekanisme yang terjadi di alam. Peniruan alam disebut dengan biomimetik atau biomimikri. Sehingga dengan mekanisme tersebut dapat membantu pekerjaan manusia. 1.2 Rumusan Masalah Rumusan masalah yang akan dibahas pada makalah ini adalah : a. Bagaimana biomimikri itu?  b. Bagaimana mekanisme dari self-cleaning, self-healing dan self-assembly? c. Bagaimana metode pembuatan self cleaning? d. Bagaimana pemilihan material yang cocok untuk jendela dari gedung tinggi tersebut? 1.3 Tujuan Tujuan dari pembuatan makalah ini adalah : a. Mengetahui biomimikri  b. Mengetahui mekanisme dari selfcleaning, self-healing dan self-assembly. c. Mengetahui metode pembuatan self cleaning. d. Mengetahui maerial yang cocok untuk jendela pada gedung tinggi.

BAB II PEMBAHASAN 2.1 Biomimetik Biomimetik merupakan metode yang menggunakan sistem alam sebagai model untuk memecahkan masalah yang dihadapi manusia. Saat ini biomimetic terus berkembang dan digunakan dalam berbagai disiplin ilmu, salah satunya adalah dalam desain produk. Dalam desain produk, biomimetic dapat digunakan untuk menciptakan inovasi khususnya untuk merancang desain yang maksimal, efisien, dan lebih ramah dari pada rancangan-rangcangan yang sudah ada. Dengan mempelajari sistem alam, kita dapat melihat lebih jauh bagaimana alam sebenarnya sudah menghasilkan pemecahan atas masalah serupa yang manusia hadapi. Teknologi biomimetic yang dapat diterapkan pada desain produk dapat dibagi menjadi tiga tingkat. Pertama, mimicking , menyerupai struktur bentuk, raut, tekstur, dan sebagainya. Kedua, imitasi dari mekanisme yang ditemukan dari alam, seperti gerakm proses, pola, dan sebagainya. Ketiga, mempelajari tingkah laku organisme. Ketiga tingkat ini dapat digunakan salah satunya maupun gabungan diantaranya. Berikut merupakan beberapa aplikasi biomimetic yang sudah ada: a. Gecko Tape, University of California  –   Berkeley membuat yaitu sebuah perekat sekumpulan micro-fibers sintetik dengan gesekan yang kuat agar dapat perekat tersebut dapat menahan beban pada permukaan yang halus. Gecko Tape  ini terinspirasi dari nanostructure pada rambut halus yang terdapat di kaki gecko (reptil).  b. Velcro, meurpakan kait kecil yang dapat menempel pada loop di kain. Diciptakan oleh George de Mestral pada tahun 1940 yang terinspirasi dari tanaman xanthium yang dapat menempel pada kain atau bulu. c.  Drag Reduction oleh Shark  Skin, terinspirasi dari kulit hiu yang memiliki struktur sisik yang berupa gigi yang dapat mengurangi hambatan (tarikan) dan menolak mikroorganisme yang menempel pada kulit tersebut maka dapat meningkatkan kemampuan renang hiu tersebut. Teknisi dari University of Florida, Anthony Brennan mengatakan bahwa semua hiu memiliki sisik-sisik yang saling tumpang tindih, atau dentikula, yang terlalu kasar sehingga bakteri pun tidak bisa bergabung. Perusahaan Sharklet Technologies  meniru pola dari sisik hiu untuk menghambat pertumbuhan  bakteri pada perangkat dan permukaan alat medis. d. Efek Lotus, permukaan daun lotus yang memiliki mekanisme pembersihan diri secara alami, karena struktur mikroskopik pada permukaannya menyebabkan daun tersebut tidak pernah basah. Butiran –  butiran air pada daun akan menggumpal seperti air raksa, dapat mengambil lumpur, seramhha dan bahan –  bahan pengotor bersamanya. Beberapa ahli dari nanotechnology  sedang mengembangkan metode untuk membuat cat dan  pembersihan pada pelapis permukaan pipa pada kilang minyak.

2.2 Coreseal Tire Technology  Teknologi ban telah berkembang seiring berjalannya waktu. Kebutuhan manusia akan inovasi dari telah juga mengalami perkembangan. Khususnya untuk kaum menengah atas, mereka menginginkan ban yang memiliki performansi lebih, seperti anti peluru, anti bocor ataupun lainnya. Sebenarnya, tidak ada istilah ban anti-peluru ataupun anti-bocor, yang ada hanyalah ban tersebut mampu mengurangi efek dari peluru atau bocor tersebut. Terdapat  beberapa jenis ban sekarang ini seperti ban tubeless, run-flat tire, coreseal tire, dll. Coreseal tire merupakan teknologi ban yang mengaplikasi beberapa lapisan dari  sealant. Sealant adalah bahan yang dapat melekat ke setidaknya dua permukaan dan mengisi ruang di antara itu sebagai pembatas atau lapisan pelindung. Selain itu juga digunakan untuk mengisi celah, ketahanan atau mengakomodasi gerakan antara substrat, dan menjaga air atau udara keluar. Sealant tidak dimaksudkan untuk pemindahan beban dan karena itu biasanya kekuatannya lebih rendah daripada perekat, tetapi memiliki fleksibilitas lebih tinggi.

Gambar 2.1 Contoh aplikasi sealant

Pada coreseal tire, sealant digunakan pada lapisan dalam. Berikut skemanya,

Gambar 2.2 Lapisan sealant pada ban Ketika ban terkena paku atau tertusuk, maka sealant akan mengisi dan menghadang lubang itu. Akibatnya adalah udara tercegah untuk keluar atau bocor. Tidak hanya menambah keamanan dengan menjaga tekanan udara ketika ban tertusuk, tetapi juga menghilangkan keberadaan ban cadangan. Dengan begitu akan menghemat sumber, meringankan beban kendaraan dan kebebasan yang lebih besar dalam merancang/mendesain mobil.

Gambar 2.3 Skema kerja coreseal tire technology

2.3 Self-healing Material yang dapat menyembuhkan dirinya sendiri bukan lagi sebuah ilusi dan kita berada tidak jauh dari hari dimana benda buatan manusia dapat mengembalikan struktur diri mereka sendiri ketika mengalami kerusakan. Contohnya, retakan-retakan pada bangunan dapat menutup sendiri retakan itu atau goresan –   goresan pada bodi mobil kita dapat kembali pada tampilan mengkilat seperti aslinya. Sesungguhnya, ini adalah apa yang semua orang lihat pada kasus seperti penyembuhan natural dari luka dan goresan pada makhluk hidup. Sebenarnya, semua material sangat terpengaruh oleh alam atau mengalami degrasi dan rusak oleh waktu. Pada kasus material struktural, proses degradasi untuk waktu yang panjang dapat menyebabkan retakan kecil tersebut menyebabkan kegagalan/kerusakan yang lebih besar. Kemudian,  perbaikan tidak dapat dihindarkan untuk meningkatkan reliabilty dan jangka waktu pemakian material tersebut. Self-healing dapat didefinisikan sebagai kemampuan material untuk menyembuhkan (memulihkan/memperbaiki) kerusakan-kerusakan secara otomatis dan oleh diri mereka sendiri, tanpa interfensi dari luar. Self-healing dapat dibagi menjadi dua tipe, yaitu : a.  Autonomic (tanpa intervensi)  b.  Nonautonomic (butuh campur tangan manusia/pemicu dari luar) Saat ini,  self-healing hanya dianggap sebagai pemulihan dari kekuatan mekanik melalui  pemulihan retakan. Bagaimanapun juga, ada juga contoh dimana tidak hanya retakan tapi juga lubang kecil dapat diisi dan disembuhkan untuk memiliki performansi yang lebih baik. Beberapa strategi dari perancangan material self-healing adalah sebagai berikut : a.  Release of healing agent b.  Reversible cross-links c.  Miscellaneous technologies  –  electrohydrodynamics  –  conductivity  –  shape memory effect  –  nanoparticle migration

 –  co-deposition. 2.3.1 Release of healing agent Agen aktif liquid seperti monomer-monomer, tinta, dan pengeras mengandung kapsul mikro, serat berongga, atau saluran yang tertanam pada sistem polimerik selama proses  pembuatan. Jika terjadi keretakan, maka penampung akan pecah dan agent reaktif tertuang  pada daerah retakan melalui tekanan kapilaritas dimana itu akan mengeras karena kehadiran katalis dan menyembuhkan retakan. 2.3.1.1 Microcapsule embedment Mikroenkapsulasi adalah proses melapisi partikel padat berukuran mikron, tetes kecil dari liquid atau gas pada lapisan kulit, yang mana akan mengisolasi dan melindungi dari  pengaruh lingkungan luar. Produk akhir mikroenkapsulasi adalah mikrokapsul. Mikrokapsul memiliki dua bagian, dinamakan inti dan kulit. Agen penyembuhan atau katalis mengandung mikrokapsul digunakan untuk mendesain komposit polimer  self-healing.

Gambar 2.6 Skema representasi dari konsep self-healing menggunakan konsep embedded microcapsules Kapsul-kapsul berwarna merah akan pecah ketika terdapat retakan, dan akan mengeluarkan healing agent  dan mengalir menuju retakan. Kemudian akan mengalami kontak dengan katalis dan mengalami pengerasan. Akhirnya terjadi polimerisasi dan retakan tertutup. Konsep mikrokapsul memiliki kerugian besar. Ketidakpastian dalam mencapai kondisi pulih sepenuhnya dan atau beberapa penyembuhan karena memiliki jumlah agen penyembuh yang terbatas dan tidak diketahui kapan agen penyembuh akan habis seluruhnya.

2.3.1.2 Hollow Fiber Embedment Untuk mencapai penyembuhan secara ganda dalam material komposit, tipe lain dari tampungan (reservoir) yang mampu menyalurkan jumlah lebih banyak dari agen penyembuh

dikembangkan oleh Dry and coworkers. Mereka menggunakan serat berongga sebagai wadah dari agen penyembuh dan katalis.

Gambar 2.7 Bentuk hollow fiber Skema kerja dari konsep serat berongga adalah seperti pada gambar dibawah

Gambar 2.8 Skema kerja self-healing dengan konsep serat berongga

Gambar 2.9 Bagian dari serat berongga

Beberapa keuntungannya adalah: a. Volume dari agen penyembuh untuk memperbaiki kerusakan lebih ban yak  b. Metode aktivasi berbeda dari resin dapat digunakan c. Inspeksi visual dari daerah terdampak adalah bagus/layak

d. Serat berongga dapat dengan mudah dicampur dan disesuaikan dengan fiber konvensional Sedangkan kekurangannya adalah: a. Fiber harus hancur untuk melepaskan agen penyembuh  b. Resin dengan viskositas rendah harus digunakan untuk infiltrasi fiber c. Multistep fabrikasi dibutuhkan 2.3.1.3 Microvascular System Untuk mengatasi kesulitas dari  supply  pendek agen penyembuh pada mikrokapsul,  pendekatan lain pada sistem vaskular biologis dari t umbuh-tumbuhan dan binatang dipelajari. Pendekatan ini berdasarkan pada jaringan yang terpusat untuk distribusi agen penyembuh pada sistem polimer dalam jalan yang berkelanjutan. Proses fabrikasinya komplek dan sangat sulit untuk mencapai material sintesis dengan jaringan-jaringan untuk aplikasi praktis. Dalam  proses, tinta organik dialirkan mengikuti sebuah array 3D dan pori-pori diantara garis-garis yang dicetak, diinfiltrasi dengan sebuah resin epoxy. Ketika polimer disembuhkan, tinta akan dihilangkan dan menyisakan sebuah saluran mikrovaskular 3D dengan konektivitas yang sangat baik.

Gambar 2.10 Visualisasi konsep dari microvascular system

2.3.2 Reversible Cross-Links Hubungan silang, yang mana merupakan proses yang tidak dapat dikembalikan atau irreversible, meterial polimer diaplikasi untuk menghasilkan sifat mekanis super, seperti modulus yang tinggi, ketahanan pelarut, dan kekuatan patah yang tinggi. Bagaimanapun juga, itu berdampak negatif terhadap kemampuan refabrication dari polimer. Lebih lagi, material yang memiliki hubungan silang memiliki kerugian seperti mudah rapuh dan memiliki kecenderungan untuk retak. Sistem reversible cross-linked tidak melakukan kemampuan selfrepairing oleh dirinya sendiri. Sebuah pemantik dari luar seperti termal, foton, atau aktivasi kimia dibutuhkan untuk mencapai proses pengembalian dan kemampuan p enyembuhan.

Gambar 2.11 Proses reversible cross-links

2.3.3 Aplikasi Berbagai aplikasi telah dikembangkan seperti di dunia otomotif. Nissan Motor mengomersialkan lapisan  self-healing  pertama di dunia untuk lapisan mobil. Dinamakan “Stratch guard coat”. Cat hidrofobik dapat memperbaiki goresan-goresan pada permukaan mobil dan efektif selama 3 tahun. Cat tersebut mengandung resin yang memiliki elastisitas tinggi yang mencegah goresan untuk mengenai lapisan dalam dari permukaan cat mobil. Faktor kedalaman dari goresan dan temperatur sekitar, proses penyembuhan/pengembalian terjadi antara satu sampai tujuh hari.

Gambar 2.12 Contoh pengembalian dari goresan pada mobil Nissan Masih banyak aplikasi lainnya seperti lapisan pada smartphone LG G-Flex, bata ringan yang dapat memulihkan retakan, pada bodi pesawat.

Gambar 2.13 Bio-concrete

Gambar 2.14 Self-repairing aircraft

2.4 Self-Assembly Self assembly adalah fenomena dimana komponen dari sistem tersebut merakit drinya secara spontan melalui interaksi guna memebentuk unit yang lebih besar. hal ini dapat terjadi akibat dari interaksi spesifik langsung atau tidak langsung melalui lingkungan mereka.

Gambar 2.15 struktur DNA (kiri) akan mengalami self assemble menjadi struktur yang divisualisa oleh mikroskop atom (kanan)

2.4.1 Proses terjadinya self assembly Proses nanopartikel melakukan self assemble ada 2 yaitu dari interaksi molekular dan externally directed 

i)

Interaksi molekular dibagi 2 yaitu gaya intermolekular dan interaksi Hamaker Gaya antar molekular : sistem ini untyk meminimalkan energi bebas maka merakit diri sebagai salah satu opsi untuk sistem untuk mencapai energi bebas terendah secara temodinamika. Nanopartikel dapat diprogram menjadi self assemble dengan mengubah fungsi dari kelompok mereka. Gaya antarmolekul ini memiliki sifat tarik menarik dan

 juga tolak-menolak antar molekul. Ketika dua molekulnya berdekatan, gaya tolak antara muatan yang sama akan timbul dan semakin tinggi energi tolaknya. Oleh karena itu akan dibutuhkan energi yang lebih tinggi pula untuk memampatkan suatu molekul

Gambar 2.16 Self Assembly akibat interaksi gaya antar molekul

ii) Interaksi hamaker : Interaksi nanopartikel berlangsung pada nano,interaksi partikel harus ditingkatkan dengan cara yang sama. Interaksi hamaker memperhitungkan polarisasi karakteristik dari sejumlah besar partikel di dekatnya dan pengaruh mereka pada satu sama lain. interaksi Hamaker menjumlah semua kekuatan antara semua partikel dan  pelarut (s) yang terlibat dalam sistem. Sementara teori Hamaker umumnya menggambarkan sistem makroskopik, luas jumlah nanopartikel dalam sistem selfassemble memungkinkan untuk diterapkan. Externally directed dibagi menjadi 3 i) Medan listrik dan magnet Medan listrik dan magnet memungkinkan induksi interaksi untuk menyelaraskan  partikel. medan memanfaatkan dari polarisabilitas dari nanopartikel dan kelompok fungsional mereka. Ketika interaksi medan induksi ini mengatasi gerak acak Brown,  partikel bergabung untuk membentuk rantai dan kemudian merakit. ii) Medan aliran



Gambar 2.17 Apabila terdapat aliran viscous makroskopis

Melalui medan aliran viscous makroskopis partikel dapat self-assembling langsung dari larutan yang awalnya memiliki partikel acak menjadi patikel yang tersusun seperti pada gambar diatas. Walaupun, partikel yang tersusun tersebut dapat menjaid partikel acak kembali ketika lairannya berhenti. Sistem ini dimulai ketika pada ketidakseimbangan , medan aliran ini berguna untuk merelaksasi sistem sehingga menjadi seimbang. iii) Kombinasi dari medan medan tersebut Jika medan dan kondisi yang dioptimalkan, self-assembly bisa permanen dan lengkap. Ketika sebuah Kombinasi medan digunakan dengan nanopartikel yang disesuaikan secara intrinsik responsif, perakitan yang paling lengkap diamati. Kombinasi dari bidang memungkinkan manfaat dari self-assembly, seperti skalabilitas dan kesederhanaan, dipertahankan sementara bisa mengontrol orientasi dan pembentukan struktur. kombinasi lapangan memiliki satu potensi terbesar untuk masa depan diarahkan kerja self-assembly (kombinasi dari medan yang paling kompleks diamati sehingga akan menghasilkan  potensi yang besar untuk pengembangan dari self assembly) 2.4.3 Aplikasi a) Programmable carbon fiber Serat karbon diketahui secara umum bahwa mempunyai kekakuan tinggi, kekuatan tarik yang susah, berat rendah sehingga menguntungkan untuk digunakan dalam pengaplikasian industri. Dengan programmed carbon fiber agar dapa mengubah sendiri dengan mencetak  bahan yang aktif pada serat karbon yang fleksibel. Dan menerapkan panas sebagai aktivator. Contoh lainnya adalah BAC morphing supercar wing dan engine flap airbus. Cara kerjanya masing2 satu bagian dari serat karbon diprogram untuk mengubah bentuknya sehingga dapat menciptakan keunggulan aerodinamik. Hal ini tidak memerlukan elektronika yang kompleks, sensor atau aktuator .

Gambar 2.18 Programmable carbon fiber

 b) Morphing supercar wing

Gambar 2.19 CFD dari morphing supercar wing

c) Programmable Wood - Custom Printed Wood Grain

Gambar 2.20 Programmable Wood

Teknik kayu-lipatan membutuhkan peralatan yang komplek seperti instrumen steaming, dan tingkat keahlian yang tinggi. Selain itu, pola alami dari serat kayu dan sifat fisik dari kayu membuatnya sulit untuk melipat ke bentuk yang komleks. Pencetakan terbaru dan  pengembagan teknologi material komposit dapat mengatasi keterbatasan yang disebutkan sebelumnya. Cara kerjanya adalah lembaran datar dari komposit kayu dicetak dengan material yang dapat diprogram sehingga dapat dikontrol. Untuk media aktivasinya adalah melalui air sehingga komposit kayu ini dapat berubah meyesuaikan kondisi lingkungan. d) Programmable textile

Gambar 2.21 Programmable Textile

Sifat tembus, ringan dan mudah dibentuk adalah sifat darii tekstil yang digunakan dalam arsitektur, furnitur dan desain pakaian. Biasanya kain yang luwes tersebut untuk menjadi kain yang strukturnya kakau membutuhkan cetakan yang kompleks dan metode mekanis. Cara kerjanya yaitu mencetak material dalam ketebalan lapisan yang bervariasi ke tekstik yang lebar sehingga mampu menciptakan struktur untuk mengubah sendiri dengan diprogram .

BAB III PENUTUP Adapun kesimpulan yang didapat dalam penyusunan laporan ini antara lain: 1. Biomimetik atau Biomimikri merupakan metode yang menggunakan sistem alam sebagai model untu memecahkan masalah yang dihadapi manusia. Biomimetik dapat digunakan untuk menciptakan inovasi khususnya untuk merancang desain yang maksimal, efisien, dan lebih ramah daripada rancangan rancangan yang sudah ada. 2. Dalam mendesain self cleaning pada kaca digunakan metode hidrofilik dengan bantuan fotokatalis pada material TiO2. Struktur anatase pada material TiO 2 digunakan dan dalam pelapisan ke kaca dipadukan dengan dispersant jenis PEG 4000. 3. Self assembly adalah fenomena dimana komponen dari sistem ters ebut merakit drinya secara spontan melalui interaksi guna memebentuk unit yang lebih besar.Proses nanopartikel melakukan self assemble ada 2 yaitu dari interaksi molekular dan externally directed. Interaksi molekular dibagi 2 yaitu gaya intermolekular dan interaksi Hamaker. Sedangkan externally directed dibagi menjadi 3 yaitu akibat Medan listrik Dan magnet, Medan aliran Dan kombinasi semua Medan. 4. Material yang dapat menyembuhkan dirinya sendiri bukan lagi sebuah ilusi dan kita  berada tidak jauh dari hari dimana benda buatan manusia dapat mengembalikan struktur diri mereka sendiri ketika mengalami kerusakan. Beberapa strategi dari  perancangan material self-healing adalah Release of healing agent ,  Reversible crosslinks, dan Miscellaneous technologies 5.

DAFTAR PUSTAKA

Bar-Cohen, Y. (2012). Biomimetics. 1st ed. Boca Raton, FL: CRC. B.J., Blaiszik, dan Kramer S. L. B. 2010. SELF HEALING POMYMERS AND COMPOSITES. "Efek lotus",  Id.wikipedia.org , 2017. [Online]. Available: https://id.wikipedia.org/wiki/Efek_lotus. Diakses pada tanggal 12- Apr- 2017 pukul 18.22

https://en.wikipedia.org/wiki/Self-assembly_of_nanoparticles?oldid=773601407 diakses pada tanggal 12 April 2017 pukul 8.34 Ghosh, Swapan Kumar. t.thn. “Self healing materials: fundamentals, design strategies, and applications.” (Willey-VCH Verlag). Grzelczak, Marek (2010). “Directed Self -Assembly of Nanoparticles”. ACS Nano. 4 (7): 3591 – 3605.