Struktur yang dapat terbiodegradasi mempunyai potensi untuk mengubah energi, teknologi informasi, dan pengobatan maju.
Selain itu, material keras dan kaku — material elektroaktif baru yang lembut dan berkelanjutan telah hadir, siap membuka peluang baru untuk perangkat medis, teknologi yang dapat dikenakan, dan antarmuka manusia-komputer.
Menggunakan peptida dan cuplikan molekul besar dalam plastik, Universitas Barat Laut para ilmuwan material telah mengembangkan material yang terbuat dari pita berukuran nano yang kecil dan fleksibel yang dapat diisi seperti baterai untuk menyimpan energi atau merekam informasi digital. Sangat hemat energi, biokompatibel, dan terbuat dari bahan ramah lingkungan, sistem ini dapat melahirkan perangkat elektronik ultralight jenis baru sekaligus mengurangi dampak lingkungan dari produksi dan pembuangan elektronik.
ADVERTISEMENT
SCROLL TO RESUME CONTENT
Studi ini baru-baru ini dipublikasikan di jurnal Alam.
Dengan pengembangan lebih lanjut, bahan lunak baru ini dapat digunakan dalam chip memori mikroskopis, sensor, dan unit penyimpanan energi berdaya rendah dan hemat energi. Para peneliti juga dapat mengintegrasikannya ke dalam serat tenun untuk membuat kain pintar atau implan medis seperti stiker. Pada perangkat wearable masa kini, barang elektronik diikatkan dengan kuat ke tubuh menggunakan gelang. Tapi, dengan bahan baru yaitu gelang diri bisa melakukan aktivitas elektronik.
“Ini adalah konsep yang sepenuhnya baru dalam ilmu material dan penelitian material lunak,” kata Samuel I. Stupp dari Northwestern, yang memimpin penelitian tersebut. “Kami membayangkan masa depan di mana Anda dapat mengenakan kemeja yang dilengkapi AC atau mengandalkan implan bioaktif lembut yang terasa seperti jaringan dan diaktifkan secara nirkabel untuk meningkatkan fungsi jantung atau otak.
“Penggunaan tersebut memerlukan sinyal listrik dan biologis, namun kami tidak dapat membangun aplikasi tersebut dengan bahan elektroaktif klasik. Tidaklah praktis untuk memasukkan bahan keras ke dalam organ tubuh kita atau ke dalam baju yang bisa dipakai orang. Kita perlu membawa sinyal listrik ke dunia material lunak. Itulah tepatnya yang kami lakukan dalam penelitian ini.”
Stupp adalah Dewan Pengawas Profesor Sains dan Teknik Material, Kimia, Kedokteran, dan Teknik Biomedis di Northwestern. Selama satu dekade terakhir, beliau juga menjabat sebagai direktur Pusat Ilmu Energi Terinspirasi Bio yang didukung Departemen Energi AS, tempat penelitian ini dimulai. Stupp mempunyai janji di Sekolah Teknik McCormick, Sekolah Tinggi Seni dan Sains Weinberg, dan Sekolah Kedokteran Feinberg Universitas Northwestern. Yang Yang, rekan peneliti di laboratorium Stupp, adalah penulis pertama makalah ini.
Peptida bertemu plastik untuk inovasi sejati
Rahasia di balik material baru ini adalah peptida amphiphiles, sebuah platform molekul serbaguna yang sebelumnya dikembangkan di laboratorium Stupp. Struktur yang dapat dirakit sendiri ini membentuk filamen di dalam air dan telah terbukti menjanjikan dalam pengobatan regeneratif. Molekulnya mengandung peptida dan segmen lipid, yang mendorong perakitan molekul ketika ditempatkan di air.
Dalam studi baru, tim mengganti ekor lipid dengan segmen molekul mini dari plastik yang disebut polivinilidena fluorida (PVDF). Namun mereka tetap mempertahankan segmen peptida, yang berisi rangkaian asam amino. Umumnya digunakan dalam teknologi audio dan sonar, PVDF adalah plastik dengan sifat listrik yang tidak biasa. Ia dapat menghasilkan sinyal listrik ketika ditekan atau diremas – suatu sifat yang dikenal sebagai piezoelektrik. Ini juga merupakan bahan feroelektrik, yang berarti memiliki struktur polar yang dapat mengubah orientasi sebesar 180 derajat menggunakan tegangan eksternal. Feroelektrik yang dominan dalam teknologi adalah bahan keras dan sering kali mengandung logam langka atau beracun, seperti timbal dan niobium.
“PVDF ditemukan pada akhir tahun 1960an dan merupakan plastik pertama yang diketahui memiliki sifat feroelektrik,” kata Stupp. “Ia memiliki semua kekokohan plastik sekaligus berguna untuk perangkat listrik. Hal ini menjadikannya material bernilai tinggi untuk teknologi maju. Namun, dalam bentuk murni, karakter feroelektriknya tidak stabil, dan jika dipanaskan di atas suhu Curie, ia akan kehilangan polaritasnya secara permanen.”
Semua plastik, termasuk PVDF, mengandung polimer, yang merupakan molekul raksasa yang biasanya terdiri dari ribuan unit struktur kimia. Dalam studi baru, laboratorium Stupp secara tepat mensintesis polimer mini dengan hanya 3 hingga 7 unit vinilidena fluorida. Menariknya, segmen miniatur dengan 4, 5, atau 6 unit diprogram oleh struktur lembaran beta alam, yang terdapat dalam protein, untuk disusun menjadi fase feroelektrik yang stabil.
“Itu bukanlah tugas yang sepele,” kata Stupp. “Kombinasi dua mitra yang tidak terduga – peptida dan plastik – menghasilkan terobosan dalam banyak hal.”
Bahan baru ini tidak hanya memiliki sifat feroelektrik dan piezoelektrik yang sama dengan PVDF, tetapi bentuk elektroaktifnya juga stabil, dengan kemampuan untuk mengubah polaritas menggunakan tegangan eksternal yang sangat rendah. Hal ini membuka pintu bagi elektronik berdaya rendah dan berkelanjutan skala nano perangkat. Para ilmuwan juga membayangkan pengembangan teknologi biomedis baru dengan melampirkan sinyal bioaktif ke segmen peptida, sebuah strategi yang telah digunakan dalam penelitian pengobatan regeneratif Stupp. Ini menawarkan kombinasi unik bahan aktif elektrik yang juga bioaktif.
Tambahkan saja air
Untuk menciptakan struktur yang berkelanjutan, tim Stupp hanya menambahkan air untuk memicu proses perakitan mandiri. Setelah mencelupkan material tersebut, Stupp takjub saat mengetahui bahwa material tersebut mencapai sifat feroelektrik PVDF yang sangat dicari.
Dengan adanya medan listrik eksternal, bahan feroelektrik membalikkan orientasi kutubnya — serupa dengan bagaimana magnet dapat dibalik dari utara ke selatan dan sebaliknya. Properti ini merupakan bahan utama untuk perangkat yang menyimpan informasi, sebuah fitur penting untuk kecerdasan buatan teknologi. Yang mengejutkan, para peneliti menemukan bahwa “mutasi” dalam rangkaian peptida dapat menyesuaikan sifat yang terkait dengan feroelektrik atau bahkan mengubah struktur menjadi bahan yang ideal untuk penggerak atau penyimpanan energi yang dikenal sebagai “fase relaks”.
“Mutasi urutan peptida dalam biologi adalah sumber patologi atau keuntungan biologis,” kata Stupp. “Dalam material baru, kami memutasi peptida untuk menyesuaikan sifat-sifatnya dengan dunia fisik.
“Dengan menggunakan elektroda skala nano, kita berpotensi mengekspos sejumlah besar struktur yang dapat dirakit sendiri ke medan listrik. Kita dapat membalik polaritasnya dengan tegangan rendah, sehingga satu berfungsi sebagai 'satu', dan orientasi sebaliknya berfungsi sebagai 'nol'. Ini membentuk kode biner untuk penyimpanan informasi. Menambah keserbagunaannya, dan sangat berbeda dengan feroelektrik pada umumnya, material baru ini bersifat 'multiaksial' — artinya material tersebut dapat menghasilkan polaritas dalam berbagai arah dalam satu lingkaran, bukan satu atau dua arah tertentu.”
Daya rendah yang memecahkan rekor
Untuk membalikkan polaritasnya, bahkan bahan feroelektrik lunak seperti PVDF atau polimer lainnya biasanya memerlukan medan listrik eksternal yang besar. Namun, struktur baru ini memerlukan tegangan yang sangat rendah.
“Energi yang dibutuhkan untuk membalikkan kutub adalah yang terendah yang pernah dilaporkan untuk feroelektrik lunak multiaksial,” kata Stupp. “Anda dapat membayangkan berapa banyak energi yang dapat dihemat di masa-masa yang semakin membutuhkan energi.”
Bahan-bahan baru ini juga memiliki manfaat lingkungan bawaan. Tidak seperti plastik pada umumnya, yang bertahan di lingkungan selama berabad-abad, bahan-bahan laboratorium Stupp dapat terurai secara hayati atau digunakan kembali tanpa menggunakan pelarut berbahaya dan beracun atau proses berenergi tinggi.
“Kami sekarang mempertimbangkan penggunaan struktur baru dalam aplikasi non-konvensional untuk feroelektrik, yang mencakup perangkat biomedis dan implan serta proses katalitik yang penting dalam energi terbarukan,” kata Stupp. “Mengingat penggunaan peptida dalam material baru, mereka dapat difungsikan dengan sinyal biologis. Kami sangat gembira dengan arah baru ini.”
Referensi: “Pemrograman peptida fase feroelektrik vinilidena fluorida supramolekul” oleh Yang Yang, Hiroaki Sai, Simon A. Egner, Ruomeng Qiu, Liam C. Palmer dan Samuel I. Stupp, 9 Oktober 2024, Alam.
DOI: 10.1038/s41586-024-08041-4
Studi ini didukung oleh Departemen Energi AS (penghargaan DE-SC0020884 dan DE-SC0000989).
RakyatPos.ID Network
