Material Tingkat Tinggi atau Advanced Materials

Material tingkat tinggi adalah kelompok material yang digunakan pada aplikasi-aplikasi teknologi tinggi. Teknologi tinggi yang dimaksud berupa produk atau alat yang pengoperasiannya atau fungsinya menggunakan prinsip-prinsip yang relatif lebih pintar dan rumit. Beberapa contoh aplikasi teknologi tinggi tersebut adalah peralatan elektronik (pemutar CD/DVD, camcorder, dll), pesawat terbang, pesawat luar angkasa, komputer, sistem fiber-optic, dan roket militer.

Penyimpan Data Digital Dibuat dari Semikonduktor.

Material tingkat tinggi biasanya adalah material tradisional yang sifat-sifatnya telah ditingkatkan dan dikembangkan menjadi material berperforma tinggi. Bisa jadi material tingkat tinggi dapat digolongkan dalam seluruh jenis material seperti logam, keramik, dan polimer. Material tingkat tinggi biasanya juga memiliki harga yang mahal.

Material tingkat tinggi terdiri dari semikonduktor, biomaterial, smart material, dan nanomaterial. Smart material dan nanomaterial memiliki sebutan material masa depan. Dari berbagai jenis material tingkat tinggi tersebut, mereka memiliki sifat dan aplikasi yang bervariasi.

Semikonduktor

Semikonduktor merupakan material yang memiliki sifat elektris menengah, antara konduktor dan isolator. Konduktor antara lain seperti logam dan logam paduan, sedangkan isolator seperti keramik dan polimer. Semikonduktor secara menyeluruh telah merevolusi dunia industri elektronik dan komputer selama 3 dekade yang lalu.

Biomaterial

Biomaterial merupakan material tingkat tinggi yang digunakan pada komponen tanam (implant) untuk ditanamkan pada tubuh manusia atau hewan sebagai pengganti bagian tubuh yang rusak. Biomaterial tidak boleh menghasilkan racun. Selain itu, biomaterial juga harus cocok dengan tubuh dan tidak menghasilkan reaksi biologis yang merugikan. Seluruh material seperti logam, keramik, polimer, komposit, dan semikonduktor; mungkin bisa digunakan sebagai biomaterial.

Smart Material

Smart material adalah kelompok materal baru yang saat ini sedang dikembangkan. Material tingkat tinggi ini diharapkan bisa memengaruhi teknologi kita secara signifikan. Kata smart (pintar) secara tidak langsung menunjukkan bahwa smart material mampu merasakan perubahan pada lingkungannya dan bisa merespons perubahan tersebut dalam perilaku yang telah ditetapkan sebelumnya. Perilaku tersebut juga bisa ditemukan pada kehidupan organisme.

Komponen smart material mencakup beberapa jenis sensor (yang mendeteksi sinyal input), dan aktuator (yang melakukan fungsi responsif dan adaptif). Aktuator dapat diminta untuk mengubah bentuk, posisi, frekuensi alami, atau karakteristik mekanis sebagai respons terhadap perubahan suhu, medan listrik, dan/atau medan magnet.

Empat jenis bahan yang biasa digunakan untuk aktuator:

• Shape-memory alloy adalah logam yang setelah dideformasi, kembali ke bentuk aslinya ketika suhu diubah.
• Keramik piezoelektrik adalah material yang mengembang dan berkontraksi sebagai respons terhadap medan listrik (atau voltase) yang diterapkan. Sebaliknya, bahan ini juga menghasilkan medan listrik ketika dimensinya diubah.
• Bahan magnetostrictive merupakan bahan yang memiliki respons deformasi mekanik terhadap medan magnet.
• Cairan elektrorheologi/magnetorheologi adalah cairan yang mengalami perubahan dramatis dalam viskositas pada penerapan medan listrik dan magnet.

Bahan yang digunakan sebagai sensor meliputi:

• Serat optik.
• Bahan piezoelektrik (termasuk beberapa polimer).
• Sistem mikroelektromekanis.

Contoh aplikasi smart material digunakan pada helikopter untuk mengurangi kebisingan yang dihasilkan oleh baling-baling yang berputar. Sensor piezoelektrik dalam bilah memantau tegangan dan deformasi bilah dan memberi sinyal ke komputer agar mengaktifkan peredam bising.

Bahan thermoresponsive adalah bahan pintar yang volumenya dapat berubah secara spesifik akibat perubahan suhu. Contoh bahan-bahan thermoresponsive antara lain: katun, poliester, dan poliamida.

Bahan peka cahaya adalah material yang menunjukkan perilaku berbeda terhadap rangsangan cahaya. Electrochromism adalah perubahan warna sebagai fungsi dari medan listrik. Jenis perilaku lain untuk bahan peka cahaya adalah thermochromism (perubahan warna dengan panas), photochromism (perubahan warna dengan cahaya), dan photostrictism (perubahan bentuk yang disebabkan oleh perubahan konfigurasi elektronik karena cahaya).

Polimer pintar adalah polimer yang mampu merespons dengan kuat terhadap sedikit perubahan pada media eksternal. Polimer pintar (smart polymer) dapat merespons rangsangan seperti suhu, pH, spesies kimia, cahaya, radiasi UV, medan listrik, dan medan magnet. Respons yang dihasilkan dapat berupa perubahan fasa, bentuk, optik, kekuatan mekanik, sifat listrik, sifat termal, dan laju reaksi.

Bahan peka pH yang dikenal luas adalah asam, basa, dan indikator. Contoh lain dari bahan yang peka terhadap pH meliputi beberapa gel pintar dan polimer pintar. Sejumlah polimer dan gel peka pH digunakan dalam bioteknologi dan kedokteran.

Nanomaterial

Nanomaterial adalah kelas material baru yang memiliki sifat sangat menarik dan hebat. Nanomaterial mungkin merupakan salah satu dari keempat jenis material seperti logam, keramik, polimer, dan komposit. Berbeda dengan material-material lain, nanomaterial tidak digolongkan berdasarkan komposisi dasar kimia. Akan tetapi, nanomaterial digolongkan berdasarkan ukurannya. Awalan nano menjelaskan bahwa dimensi dari kesatuan strukturnya adalah nanometer. Kesatuan struktur dari nanomaterial berukuran kurang dari 100 nanometer.

Referensi
M. Kutz, 2006, Mechanical Engineers’ Handbook, edisi 3.
W. D. Callister dan D. G. Rethwisch, 2010, Materials Science and Engineering: an Introduction, edisi 8.