Smart Material
Jarang dari kita merenungkan cara kerja popok bayi. Popok bayi adalah jenis material hidrogel yang berfungsi menyerap dan menahan air, atau cairan lain, dalam kondisi lingkungan tertentu. Ini unik karena cairan tidak jadi tumpah bahkan meskipun diperas. Atau pernahkah Anda melihat "Slime?" Bahan berlendir yang secara magnetis menarik perhatian anak-anak untuk bereksperimen. Atau cat cerdas? Pemilik mobil umumnya bersedih jika mobilnya tergores. Namun dengan cat cerdas permukaan mobil yang tergores bisa kembali utuh dengan sendirinya.
Popok bayi, slime dan cat cerdas contoh nyata dari material cerdas. Smart material, juga disebut material cerdas atau material responsif adalah material yang memiliki satu atau lebih sifat yang dapat berubah secara signifikan dengan cara yang terkontrol oleh rangsangan eksternal, seperti tegangan, kelembaban, medan listrik atau magnet, cahaya, suhu, pH, atau senyawa kimia. Material pintar adalah dasar dari banyak aplikasi, termasuk sensor dan aktuator, atau otot buatan, terutama sebagai polimer elektroaktif.
Ada beberapa jenis material pintar, di antaranya yang sudah umum adalah:
Material yang peka terhadap suhu (termokromik)
Mirip dengan pigmen fotokromik, material termokromik berubah warna berdasarkan suhu. Desainer dapat menentukan warna dan tanggapan yang berbeda untuk menyesuaikan dengan persyaratan desain.
Termometer pasif ini diterapkan secara luas di seluruh mesin, pabrik, dan bahkan pasien medis. Perangkat ini memberikan indikasi visual sederhana tentang suhu di lokasi pemasangannya. Kombinasi operasi yang kuat dan biaya rendah membuka beragam aplikasi: apakah suatu bagian mungkin terlalu panas untuk disentuh, apakah makanan disimpan pada suhu yang tepat, atau untuk memantau suhu pasien selama prosedur pembedahan dengan mudah.
Material yang peka terhadap bahan kimia (kemokromik)
Material kemokromik berubah warna dengan adanya senyawa kimia tertentu. Seperti material fotokromik dan termokromik, material kemokromik dapat ditentukan untuk bereaksi dengan cara tertentu terhadap senyawa kimia yang berbeda. Rancangan NASA untuk Sensor Deteksi Kebocoran Hypergol adalah respon yang elegan terhadap tantangan untuk mendeteksi kebocoran propelan hipergolik yang berpotensi berbahaya. Dalam istilah yang lebih sederhana, bahan bakar roket yang bocor adalah situasi yang sangat berbahaya, dan operator harus segera menemukan kebocoran.
Desain NASA menggunakan pigmen chermochromic, yang berubah warna dengan adanya hipergol untuk mengingatkan pekerja akan adanya kebocoran. Pigmen disebarkan sebagai selotip langsung ke pipa, sehingga sensor dapat mengikuti bentuk permukaan. Setelah dipasang, pita akan berubah warna dari kuning menjadi hitam untuk menunjukkan secara visual keberadaan bahan bakar. Sistem ini memiliki desain simpel yang elegan dengan komponen minimal, tanpa elektronik, dan tidak ada bagian yang bergerak sehingga sangat kuat dan dapat diskalakan.
Pita pendeteksi kemokromik NASA digunakan pada jaringan pipa untuk mendeteksike beradaan bahan bakar berbahaya, hanya melalui perubahan warna.
Material penyembuhan diri
Material penyembuhan diri adalah kelas bahan cerdas yang baru-baru ini menyita imajinasi publik. Dari kaca yang dapat menyembuhkan diri sendiri, tekstil, dan cat, sangat menarik untuk membayangkan bahwa bahan-bahan di sekitar mungkin memiliki kemampuan memperbaiki sendiri dari sistem biologis. Tapi tentu saja, mekanisme di balik bahan penyembuhan diri bukanlah biologi, melainkan polimer. Polimer, yang, ketika retak, secara kimiawi menjadi rebond atau rebound.
Dari sekian banyak kemungkinan aplikasi, yang pertama datang dari tempat yang tidak terduga: cat penyembuhan sendiri untuk kendaraan kelas atas. Goresan kecil pada permukaan mobil baru memang membuat frustasi pemilik kendaraan, namun dengan adanya polimer yang dapat menyembuhkan sendiri memungkinkan permukaan dapat memperbaiki dirinya sendiri. Peluncuran komersial pertama dari material semacam itu dilakukan oleh Kawasaki Motorcycles. Motor H2 2019 hadir dengan apa yang disebut Kawasaki sebagai "Cat yang Sangat Tahan Lama", yang memperbaiki sendiri jenis goresan tertentu seiring waktu. Cat penyembuhan diri sepeda motor Kawasaki menggunakan struktur fisik tertentu untuk membuat tampilan motornya lebih bagus lebih lama.
Material peka magnetis dan cairan magnetorheological
Cairan magnetorheological reaktif terhadap medan magnet karena mengandung partikel konduktif secara elektrik yang secara khusus sejajar dengan kutub magnet. Perubahan kesejajaran ini dapat mengubah viskositas fluida. Cairan ini umumnya dikenal sebagai "ferrofluida", yang menggambarkan dengan sempurna bentuk dan keberadaan medan magnet. Tapi aplikasi yang paling berpengaruh dari bahan-bahan ini adalah di bidang suspensi otomotif.
Peredam magnetorheological memanfaatkan variabel viskositas dari bahan-bahan ini untuk membuat sistem suspensi yang dapat disetel dengan cepat. Ketika medan magnet diterapkan atau dihilangkan, viskositas fluida berubah, mengubah kualitas pengendaraan kendaraan dari lunak menjadi keras (atau sebaliknya) dengan respons yang praktis seketika. Sistem ini secara dramatis mengurangi kompleksitas dibandingkan sistem suspensi aktif lainnya, dengan menghilangkan jaringan kompleks katup dan pipa yang biasanya diperlukan untuk menyediakan kontrol resolusi tinggi tersebut.
Dengan mengarahkan kembali partikel dalam medan magnet, peredam Magnetorheological mengubah kinerja komponen suspensi otomotif hampir secara instan.
Paduan memori bentuk
Salah satu aplikasi Smart Material yang paling banyak digunakan adalah stent arteri yang terbuat dari Shape-Memory Alloys (SMA). Arteri yang tersumbat atau kolaps merupakan risiko kesehatan yang signifikan dan dapat secara langsung berkontribusi pada kematian pasien. Tantangannya adalah bagaimana cara menghilangkan hambatan aliran darah dengan cara yang cepat dan minimal invasif. Untungnya, bahan cerdas dengan fungsi memori bentuk, yang dikenal sebagai NiTiNOL, dan beberapa teknik cerdas memberikan solusi yang telah digunakan pada ribuan pasien.
NiTiNOL adalah "Shape Memory Alloy" (SMA), sub-kategori bahan cerdas dan bahan memori bentuk yang juga dapat mencakup polimer memori bentuk. SMA adalah logam yang sering disajikan dalam bentuk kawat atau strip dan dapat 'diprogram' untuk digerakkan dengan cara tertentu ketika mengalami perubahan suhu. Efeknya pertama kali diperlihatkan pada tahun 1962 di Laboratorium Ordonansi Angkatan Laut AS.
NiTiNOL memiliki memori bentuk yang dipertahankan dari waktu ke waktu dan dimungkinkan untuk beralih antar keadaan dengan memvariasikan suhu material seperti yang ditunjukkan di bawah ini.
Stent arteri memanfaatkan perbedaan suhu antara tubuh manusia dan lingkungan sekitarnya. Di luar tubuh, bohlam NiTiNOL roboh. Penggerak perangkat terjadi saat dimasukkan ke dalam tubuh, kehangatan pasien memperluas perangkat untuk menahan arteri tetap terbuka. Panas tubuh pasien yang terus-menerus memastikan perangkat tetap mengembang, meningkatkan aliran darah yang sehat.
Desain yang luar biasa elegan ini memanfaatkan sifat dasar NiTiNOL untuk membuat perangkat penyelamat hidup yang sangat sederhana dan efektif. Selain stent arteri, struktur yang dimungkinkan dengan paduan memori sebagai aktuator sangat menarik dan memiliki potensi untuk aplikasi yang bahkan belum dipertimbangkan.
Stent arteri menggunakan sifat unik NiTiNOL untuk membuat perangkat yang menekuk saat dimasukkan, kemudian mengembang saat ada panas tubuh, sehingga menjaga arteri tetap terbuka
Material cerdas generasi berikutnya
Kemungkinan besar bahwa miniaturisasi elektronik dan inovasi yang berkelanjutan dalam ilmu material akan menciptakan kelas material baru yang memiliki sifat baru yang menakjubkan.
Perangkat yang menggunakan material cerdas pada akhirnya dapat menggantikan teknologi yang lebih tradisional dalam konstruksi bangunan, kendaraan, dan produk konsumen. Bobot komponen yang lebih ringan, ukuran komponen, dan kompleksitas yang dikombinasikan dengan fleksibilitas desain, fungsionalitas, dan keandalan yang ditingkatkan, menjadikan material cerdas pilihan yang menarik. Selain itu, material cerdas menawarkan tingkat ketahanan lingkungan yang tidak mudah dicapai melalui teknologi lain karena biasanya material tersebut tidak tahan terhadap air, kelembapan, atau debu.
Sumber:
https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/smart-material
https://www.mide.com/smart-materials
https://www.bareconductive.com/news/types-and-applications-of-smart-materials/
https://www.engineerlive.com/content/what-smart-material
Penulis :
Dr.-Ing. Salman, ST., MSc.
Dosen Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Mataram
Ikuti tulisan menarik Dr Ing Salman ST MSc lainnya di sini.
