Ilmuwan material di Universitas Minnesota telah menemukan metode baru untuk menciptakan dan mengontrol “kekurangan” mikroskopis secara tepat pada material ultra-tipis. Ketidaksempurnaan internal ini, yang secara formal dikenal sebagai cacat yang diperluas, menawarkan jalur yang menjanjikan untuk memberikan bahan nano generasi mendatang sifat yang belum pernah ada sebelumnya, sehingga berpotensi memicu kemajuan signifikan dalam nanoteknologi.
Memahami Cacat yang Diperpanjang
Cacat yang diperluas adalah gangguan pada struktur kristal suatu material yang meluas ke area yang relatif luas – tidak seperti cacat titik yang mempengaruhi atom tunggal. Bayangkan kisi kristal murni seperti kisi-kisi blok bangunan yang tersusun sempurna; cacat yang berkepanjangan seperti kerusakan yang disengaja dan ditempatkan dengan hati-hati pada kisi-kisi itu. Aspek unik dari cacat ini adalah bahwa cacat tersebut menempati volume yang kecil namun mempengaruhi sifat material di sekitarnya secara signifikan.
Mencapai Kendali yang Belum Pernah Ada Sebelumnya
Penelitian yang dipublikasikan di Nature Communications ini menunjukkan kemampuan untuk merekayasa wilayah dalam material dengan kepadatan cacat yang diperluas hingga 1.000 kali lebih besar dibandingkan wilayah tanpa pola. Tingkat kendali ini sangat penting karena memungkinkan peneliti menyesuaikan sifat material di zona tertentu.
“Cacat yang meluas ini menarik karena mencakup keseluruhan material namun menempati volume yang sangat kecil,” jelas Andre Mkhoyan, seorang profesor di Departemen Teknik Kimia dan Ilmu Material Universitas Minnesota dan penulis senior studi tersebut. “Dengan mengontrol fitur-fitur kecil ini secara hati-hati, kita dapat memanfaatkan sifat-sifat cacat dan material di sekitarnya.”
Teknik: Penciptaan Cacat Berpola
Terobosan tim ini terletak pada pendekatan baru terhadap desain material. Mereka menemukan bahwa dengan menciptakan pola-pola kecil yang menyebabkan cacat pada permukaan sebelum menumbuhkan lapisan tipis, mereka dapat secara tepat mengontrol kepadatan dan jenis cacat yang meluas.
“Kami menemukan cara baru untuk mendesain material dengan membuat pola kecil yang menyebabkan cacat pada permukaan substrat sebelum membuat lapisan tipis di atasnya,” kata Supriya Ghosh, mahasiswa pascasarjana di Mkhoyan Lab dan penulis pertama makalah tersebut.
Teknik ini memungkinkan terciptanya material dengan sifat yang sangat berbeda di bagian yang berbeda. Dengan memusatkan cacat sepanjang ketebalan material, peneliti dapat menghasilkan film baru dimana pola berukuran nanometer sebagian besar ditentukan oleh cacat tersebut. Hal ini dapat menyebabkan perubahan radikal dalam perilaku material.
Implikasi yang Lebih Luas dan Penerapannya di Masa Depan
Meskipun studi awal berfokus pada oksida perovskit—kelas bahan yang semakin banyak digunakan dalam sel surya dan aplikasi lainnya—para peneliti yakin metode ini dapat beradaptasi dengan berbagai jenis bahan tipis. Potensi manfaatnya sangat luas. Hal ini membuka jalan menuju pengembangan perangkat elektronik yang memanfaatkan sifat unik yang dihasilkan oleh cacat yang terkendali ini.
Tim peneliti tersebut antara lain Jay Shah, Silu Guo, Mayank Tanwar, Donghwan Kim, Sreejith Nair, Matthew Neurock, Turan Birol, dan Bharat Jalan, semuanya dari Departemen Teknik Kimia dan Ilmu Material, serta Fengdeng Liu dari Departemen Teknik Elektro dan Komputer.
Intinya, penelitian ini menunjukkan bahwa memperkenalkan ketidaksempurnaan secara strategis dapat membuka fungsionalitas baru dalam material nano, sehingga membuka jalan bagi era baru dalam desain material.
Pendekatan inovatif terhadap rekayasa material ini dapat merevolusi nanoteknologi dengan menawarkan metode yang tepat dan serbaguna untuk menciptakan material dengan sifat yang disesuaikan pada skala nano.
