Sekilas Mengenal Bahan Konduktor Superionik *)

Pendahuluan

Kita mungkin telah sering mendengar istilah bahan semikonduktor dan superkonduktor, tapi bagaimana dengan bahan konduktor superionik? Mungkin sama sekali belum pernah mengetahuinya. Tulisan berikut ini mencoba sedikit memaparkan dan memperkenalkan tentang material baru yang sangat penting untuk aplikasi dalam bidang teknologi. Penulis akan menguraikan secara sederhana tentang pengertian bahan konduktor superionik, sifat-sifatnya dan penelitian serta penggunaannya. Tak lupa disinggung sedikit tentang penelitian yang dilakukan oleh para peneliti di Indonesia. Untuk lebih ringkasnya, penulisan istilah konduktor superionik akan disingkat menjadi KSI.

Apakah bahan KSI itu?

Bahan KSI (superionic conductor) dikenal juga dalam istilah lain di kalangan ilmuwan sebagai elektrolit padat (solid electrolyte) ataupun konduktor ion cepat (fast ionic conductor) adalah bahan padatan yang mempunyai konduktivitas ionik yang tinggi pada temperature jauh di bawah titik leleh bahan tersebut.

Umumnya, senyawa padatan kristal ionik seperti sodium chloride (NaCl, garam dapur) mempunyai konduktivitas yang sangat rendah. Konduktivitas senyawa ionik ini umumnya sedikit mengalami peningkatan sejalan dengan peningkatan temperatur. Bila senyawa padatan tersebut telah melampaui titik lelehnya biasanya konduktivitasnya meningkat tajam. Jadi, untuk senyawa padatan ionik pada umumnya, konduktivitas yang tinggi hanya dicapai dalam kondisi telah terlampauinya titik leleh senyawa tersebut. Namun diantara padatan ionik ada beberapa senyawa yang mempunyai konduktivitas tinggi meskipun pada temperatur jauh di bawah titik lelehnya, senyawa-senyawa inilah yang dikenal sebagai bahan KSI.

Tidak seperti bahan konduktor umumnya (misalnya tembaga, emas atau perak yang juga mempunyai daya hantar listrik yang tinggi) di mana muatan penghantar listrik adalah electron dan hole, konduktivitas tinggi pada bahan KSI utamanya disebabkan oleh ion. Bahkan ada beberapa senyawa KSI yang konduktivitas elektroniknya (konduktivitas yang disebabkan oleh elektron dan hole) sangat kecil dibandingkan konduktivitas ioniknya, misalnya pada bahan AgI.

Seperti yang disebutkan di atas, bahan KSI dikenal juga dengan istilah elektrolit padat (solid electrolyte). Selama ini kita lebih mengenal bahan elektrolit yang berupa cairan. Kita telah akrab dengan misalnya cairan H2SO4 (asam sulfat) yang merupakan cairan elektrolit pada accumulator (akki). Cairan elektrolit ini berfungsi sebagai media perpindahan muatan dari satu elektroda ke elektroda lain pada accumulator tersebut. Fungsi yang sama juga ditunjukkan oleh bahan padatan KSI, sehingga disebutlah sebagai elektrolit padat. Istilah elektrolit padat (solid electrolyte) menunjukkan suatu keadaan tengah-tengah (middle state) antara bahan padatan (solid) dan cairan (electrolyte). Sebagaimana pada bahan elektrolit biasa (cairan), ion-ion pada bahan KSI dapat bergerak dengan mudah sehingga mengakibatkan konduktivitas yang tinggi tersebut.

Lantas mengapa ion-ion pada bahan padatan KSI dapat bergerak dengan mudah padahal kita tahu bahwa dalam bentuk padatan, ikatan antar atom dalam kristal begitu kuat sehingga tidak memungkinkan ion (atom bermuatan) untuk berpindah posisi? Salah satu alasan sederhana yang diyakini oleh para ahli adalah karena adanya ketidakteraturan (disordered) atau cacat (defect) dalam struktur kristal bahan KSI. Ketidakteraturan posisi atom atau adanya cacat dalam struktur menyebabkan tersedianya posisi kosong pada tempat-tempat tertentu dalam kristal. Posisi yang kosong ini dapat diisi oleh atom lain di sekitarnya dan meninggalkan posisi kosong yang baru, demikian seterusnya sehingga ion dalam kristal tersebut dapat berpindah-pindah. Inilah yang berperan dalam tingginya konduktivitas ionik bahan KSI.

Bahan KSI sebenarnya mempunyai sejarah panjang sejak eksperimen yang dilakukan oleh Faraday pada abad 19. Namun perkembangan yang cukup pesat baru berlangsung sejak akhir dekade 70-an seiring dengan penemuan bahan-bahan baru dan terbukanya kemungkinan penggunaan bahan ini di berbagai bidang teknologi. Beberapa contoh bahan KSI yang banyak diteliti oleh para peneliti misalnya adalah AgI, CuI, Na-b Al2O3, RbAg4I5, Ag3SI, LiNiO2, LiCoO2, LiMn2O4, NASICON dan lain-lain.

Penelitian tentang bahan KSI

Yang menjadi perhatian utama para peneliti bahan KSI, terutama pada bagian mendasarnya (fundamental research) adalah bagaimana sebenarnya mekanisme perpindahan ion di dalam kristal bahan KSI sehingga menyebabkan bahan KSI ini memiliki konduktivitas ionik yang sangat tinggi. Usaha untuk mengungkap hal ini dilakukan dengan berbagai penelitian dan sudut pandang. Secara garis besar, penelitian bahan KSI terbagi menjadi 2 bagian utama yaitu: (1) penelitian mendasar (fundamental research) dan (2) penerapannya dalam teknologi.

Penelitian dasar (fundamental research)

Penelitian tentang struktur bahan KSI sangat penting untuk memahami penyebab tingginya konduktivitas ionik bahan ini. Mekanisme perpindahan ion dalam kristal bahan KSI menjadi hal yang sangat penting untuk diketahui dan ini semua sangat bergantung pada struktur bahan KSI tersebut. Penelitian struktur bahan KSI dilakukan dengan berbagai metode dan yang paling banyak dilakukan adalah penggunaan X-ray dan neutron. Tidak hanya penelitian dalam hal struktur, penelitian mengenai sifat-sifat listrik (electrical properties), sifat termal (thermal properties) dan sifat-sifat fisis lainnya juga sama pentingnya. Semuanya berjalin dan saling melengkapi untuk memahami fenomena mikroskopik bahan KSI. Selain dari sudut eksperimen, fenomena mikroskopik bahan KSI juga diteliti secara luas dan mendalam melalui berbagai macam pemodelan dan simulasi untuk menjelaskan sifat-sifat fisis yang teramati melalui hasil eksperimen.

Selain penelitian fenomena mikroskopik, usaha untuk mencari bahan baru yang bersifat superionik juga terus dilakukan. Usaha ini tentu saja berkaitan dengan tujuan mendapatkan bahan KSI yang paling baik untuk diaplikasikan dalam teknologi. Meskipun telah sangat banyak ditemukan bahan yang bersifat superionik namun untuk mengaplikasikannya dalam produk teknologi banyak keterbatasannya sehingga tidak banyak yang telah digunakan dalam aplikasi teknologi apalagi diproduksi secara komersial. Karena itulah usaha untuk memperoleh bahan baru yang applicable terus dilakukan oleh para peneliti.

Penggunaan dalam teknologi

Penggunaan bahan KSI dalam aplikasi teknologi tentu saja menjadi perhatian utama. Sebenarnya bahan KSI sudah sangat luas digunakan dalam kehidupan kita sehari-hari. Misalnya untuk batere isi ulang (rechargeable battery), baik untuk bagian elektrolit maupun untuk elektrodanya. Selain itu bahan KSI juga digunakan untuk sensor, smart window dan fuel cell. Aplikasi dalam teknologi ini juga terus berkembang sejalan dengan ditemukannya berbagai bahan-bahan KSI baru.

Penutup: perkembangan penelitian di Indonesia

Seperti telah diuraikan di atas, penelitian dalam bidang KSI mencakup spektrum yang sangat luas mulai dari penelitian mendasar hingga aplikasinya. Kesemuanya ini tidak bisa dipisahkan satu sama lainnya. Ini melibatkan banyak disiplin ilmu (baik dasar maupun terapan) mulai dari fisika, kimia, elektronika, instrumentasi dan lain sebagainya. Di Indonesia, meskipun telah cukup banyak peneliti (baik dari lembaga penelitian maupun perguruan tinggi) yang mendalami sisi-sisi penelitian tersebut namun penelitian yang terfokus pada bahan KSI sendiri masih sedikit dilakukan. Untuk itu tengah diusahakan terwujudnya satu komunitas ilmiah (scientific society) agar peneliti yang tersebar dalam banyak sisi penelitian itu dapat berhimpun dan berkomunikasi secara intensif serta membangun jaringan untuk mengembangkan penelitian dalam bidang KSI. Saat ini salah satu kelompok peneliti di Badan Tenaga Nuklir Nasional (BATAN) tengah berupaya mengembangkan teknologi batere isi ulang menggunakan KSI berbahan dasar gelas.

———

*) Catatan: Tulisan ini dalam bentuk yang sedikit berbeda juga ditampilkan di netsains.com

This entry was posted in News, Opinion. Bookmark the permalink.

5 Responses to Sekilas Mengenal Bahan Konduktor Superionik *)

  1. Dicky says:

    canggih. thanx ya.

  2. siti nikmatin says:

    saya mahasiswa S3 teknologi pertanian IPB Bogor yang sangat tertarik dengan KSI. Pertanyaan saya apa aplikasi/penerapan KSI khususnya dalam teknologi pertanian atau pada pertanian tropika secara luas. mohon jawabannya.terima kasih

    • khbasar says:

      Trims atas commentnya.
      Secara spesifik pada bidang pertanian saya belum tahu. Tapi sebagai sumber energi mungkin bisa secara luas diaplikasikan.

  3. bubun says:

    Kalau tentang bahan konduktor secara singkat,,padat dan jelas bagaimana,,..?? Punya pr niiihh,,,,

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *

*

You may use these HTML tags and attributes: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>

To use reCAPTCHA you must get an API key from https://www.google.com/recaptcha/admin/create