Graphene Membuka Peluang Baru Abad ke-21

Antara peralatan yang berpotensi dihasilkan dengan 'Graphene'.

Graphene merupakan bahan baru yang membuka peluang baru bagi para saintis untuk mencipta pelbagai barang berguna merangkumi pelbagai lapangan dari elektrik, elektronik, binaan dan lain-lain lagi. Secara kasarnya ‘graphene’ adalah terdiri daripada karbon iaitu ‘graphite’ adalah bahan yang sama digunakan untuk pensil dan juga bahan yang membentuk berlian.

Graphene adalah bahan yang terbentuk daripada Karbon sama juga seperti graphite (yang digunakan pada pensil) mahupun yang memebentuk berlian (dalam bentuk yang lebih keras). Apa yang membezakan kedua bahan ini adalah susunan atomnya yang membezakan antara graphite dan berlian. Jadi graphene juga adalah bahan yang terhasil daripada Karbon dengan susunan atom yang berbeza pula.

Perbezaan susunan atom pada beberapa bahan Karbon.

Susunan atom Karbon pada 'Graphene'.

Ketulan Graphite.

Apa yang berbeza bagi graphene adalah ia hanya terdiri daripda Karbon dengan ketebalan satu atom sahaja – dan ini amat nipis (ia mengambil tiga juta laipisan graphene untuk membentuk ketebalan 1 mm). Atom-atom graphene tersusun dalam satu lapisan dengan membentuk cincin hexagon yang kelihatan seperti sel-sel pada sarang lebah.

Walaupun pengetahuan mengenai sifat-sifat elektrik pada graphite diketengahkan pada 1947 oleh seorang saintis fizik Canada iaitu Philip Wallace yang membuka minat para pengkaji lain untuk mendalami sifat-sifat pada bahan ini. Ia turut mendapat perhatian dari seorang lagi saintis pemenang Nobel-Prize iaitu Linus Pauling yang memberikan gambaran mengenai berapa nipisnya lapisan satu atom karbon dan sifat-sifatnya semenjak tahun 1960. Pada 1962 bahan ini dinamakan graphene oleh pakar kimia (chemist) Hanns-Peter Boehm, yang melihatnya di bawah mikroskop elektron setahun sebelum itu.

Kajian mengenai graphene ini berterusan selama beberapa dekad dan menemukan bahan-bahan lain seperti “fullerenes” (bahan karbon dengan molekul membentuk bola) dan juga “nanotubes” (bahan karbon dengan molekul berbentuk paip/silinder). Graphene pertama dihasilkan pada tahun 2004 oleh saintis Russia iaitu Andre Geim dan juga Konstantin Novoselov pada masa itu bertugas di University of Manchester, UK. Graphene pertama dihasilkan dengan pita pelekat dan serpihan graphite dengan melekat dan menariknya secara berulang-ulang sehingga menghasilkan lapisan satu atom graphite terhasil – ia adalah graphene.

Andre Geim dan Konstantin Novoselov.

Penerangan mengenai bahan Karbon.

Aerogel dihasilkan dari Graphene adalah amat ringan.

Empat tahun kemudiaannya kumpulan dari Mahcester berjaya menghasilkan transistor graphene pertama dengan ketebalan satu atom dan kelebaran sepuluh atom. Pada tahun yang sama juga Rice University di United States membina “flash-memory” menggunakan graphene. Melalui penemuan ini, penghasilan bahan menggunakan graphene menjadi lebih mudah dan Andre Geim dan juga Konstantin Novoselov menerima penganugerahan di “2010 Nobel Prize in Physics”.

Graphene merupakan bahan yang akan digunakan di dalam kebanyakan rekaan manusia pada abad ini. Ini kerana bahan ini merupakan bahan yang ditunggu-tunggu untuk memperbaiki bahan sedia ada daripada lapangan elektrik/elektronik sehinggalah kepada bahan binaan seperti badan kapal terbang. Semenjak penemuannya, kesemua lapangan ini berusaha untuk mengkaji kesesuaian graphene untuk digunakan pada lapangan masing-masing.

Gaphene mempunyai sifat-sifat yang sangat unik oleh kerana susunan atom Karbonnya yang sekata, kukuh dan tersusun. Ini membolehkan ia mempunyai sifat-sifat yang terdapat pada bahan logam yang penting seperti mengalirkan arus elektrik dan haba dengan baik. Pada masa yang sama juga ia merupakan susunan atom yang kukuh dan berpotensi digunakan sebagai bahan binaan yang ringan.

Manakala dalam bidang elektrik dan elektronik pula berpeluang untuk menghasilkan pelbagai komponen yang lebik efisyen dengan menggunakan tenaga elektrik yang lebih rendah. Jadi, peralatan elektronik seperti telefon bimbit yang lebih nipis dengan kuasa bateri yang tahan lebih lama dapat dihasilkan. Namun ia masih terlalu awal untuk digambarkan kerana masih banyak kegunaan graphene yang belum diterokai lagi.

Graphene merupakan bahan yang mudah didapati namun diperingkat awal ini penghasilan graphene (yang lebih praktikal) mungkin adalah agak tinggi. Ia merupakan satu bahan yang sangat menakjubkan melalui penemuan yang tidak disangka-sangka. Graphene dikatakan akan menjana gelombang baru bahan dan peralatan yang dihasilkan pada abad ke-21. Menakjubkan!

Kefahaman Mengenai Peralatan Tanah

Barangan tanah pada asalnya hanyalah berbentuk seperi ini.

Peralatan tanah masih lagi memainkan peranan penting dalam kehidupan manusia sehingga ke hari ini. Peralatan tanah merujuk kepada peralatan yang diperbuat daripada tanah liat yang dikenali sebagai “Earthenware”, boleh menghasilkan pelbagai barangan keperluan seharian manusia. Semenjak ia mula diperkenalkan, manusia terus memperbaiki kualiti barangan tanah ini sehinggalah hari ini.

Peralatan tanah secara kasarnya boleh dibahagiakan kepada 3 kumpulan utama iaitu "earthenware," "stoneware," dan "porcelain". Barangan ini terhasil daripada bahan tanah liat yang digunakan dan juga kaedah penghasilan (teknik pembakaran pada suhu yang berbeza). Barangan siap setelah pembakaran akan menghasilkan kadar porositi yang berbeza, seterusnya menentukan pula barangan yang susuai untuk dihasilkan dengan teknik tersebut. Kadar porositi ini diukur dengan menimbang berat barangan siap ketika kering. Ia kemudiannya direbus di dalam air selama 2 jam. Setelah itu air berlebihan akan dikeringkan menggunakan tuala sebelum ianya ditimbang semula. Pertambahan berat adalah pertambahan air yang meresap ke dalam peralatan tersebut.

Peratus pertambahan air dapat diukur dengan:

(Berat setelah direbus – berat kering)/

Dibahagi dengan berat kering.

Penggunaan 'porcelain' di Eropah, lebih kepada barangan perhiasan.

Pasu bunga merupakan barangan 'earthenware' paling mudah.

'Stoneware' pula menghasilkan barangan keperluan yang lebih praktikal.

Barangan “Earthenware”, merupakan barangan asas yang dihasilkan dengan teknik yang paling mudah, kebiasaanya pada suhu pembakaran paling rendah. Tanah liat yang digunakan juga tidak memerlukan teknik pengasingan benda asing yang ketat. Barangan pada kelas ini mempunyai porositi yang paling tinggi sehingga 10 hingga 15 peratus seperti pasu bunga, batu-bata, tiles dan barangan yang tidak menyimpan air untuk tempoh yang lama. Bahan asing di dalam tanah ini memberikan ia warna seperti merah, coklat dan hitam.

“Stoneware” pula adalah barangan yang mempunyai kadar porositi daripada 2 – 5 peratus. Barangan seperti ini dihasilkan melalui proses pembakaran pada suhu 2,100 hingga 2,372 °F. Barangan “stoneware” mempunyai ketahan yang lebih tinggi dan juga dikenali sebagai barangan tembikar pada hari ini. Ia biasanya disaluti dengan ‘glaze’ dan tidak telap air menjadikan ia sesuai untuk menghasilkan barangan dapur seperti ‘mug’ dan pinggan mangkuk.

Oleh kerana penggunaan bahan yang lebih baik, warna barangan ‘stoneware’ adalah lebih terang dari seakan-akan warna tanah ke kelabu terang hinggalah ke coklat atau kelabu gelap. Suhu pembakaran memainkan peranan penting dalam penghasilan barangan ‘stoneware’ dalam menentukan kualiti barangan yang akan dihasilkan.

“Porcelain”, merupakan barangan terbaik yang dihasilkan daripada kelas barangan ini. Barangan ‘porcelain’ juga hanya mempunyai kadar porositi dari 0 hingga 1 peratus. Walaupun ia dihasilkan dengan tanah liat istimewa yang dikenali sebagai ‘koalin’, ‘porcelain’ hari ini turut dihasilkan menggunakan bahan-bahan lain. Antara sebab lain penggunaan bahan lain termasuklah mengurangkan suhu pembakaran dan juga menambahkan sifat ‘plasticity’ (mudah bentuk), kepada ‘koalin’. Namun begitu penghasilan ‘porcelain’ sememangnya memerlukan suhu yang lebih tinggi berbanding barangan lain yang dihasilkan daripada tanah ini.

Oleh kerana partikel yang digunakan dalam penghasilan ‘porcelain’ adalah lebih halus dan juga tidak mengandungi bahan asing (dari bahan logam) ia dapat menghasilkan beberapa perkara iaitu; mempunyai sifat separa telus cahaya, dan juga warna yang lebih cerah sekata. Barangan ‘porcelain’ boleh digunakan untuk pelbagai kegunaan daripada barangan keperluan sehinggalah kepada barangan hiasan.

Barangan 'porcelain' dari Dinasti Ming.

Insulator yang dihasilkan dari 'porcelain'.

Panel pada bangunan ini juga adalah daripada 'porcelain'.

Speaker yang dihasilkan daripada 'porcelain'.

Hari ini bahan yang sama juga turut digunakan untuk tujuan perindustrian seperti penghasilan ‘insulator’ bagi kabel bervoltan tinggi dan juga sebagai bahan gantian dalam bidang pergigian. Antara syarikat yang menggunakan ‘porcelain’ ini termasuklah NGK Insulators, Ltd. dalam penghasilan insulator, manakala Murata Manufacturing Co. pula menghasilkan ‘low-temperature-sintering porcelain’ untuk tujuan aplikasi elektronik.

Jadi begitulah menariknya penggunaan bahan daripada tanah mampu digunakan oleh manusia sejak ribuan tahun dahulu sehingga hari ini terus diperbaiki dalam membantu manusia mencapai kemudahan dalam hidup. Jika anda berminat untuk mengetahui lebih lanjut mengenai bahan dan juga barangan yang dihasilkan dari tanah ini, silalah lakukan rujukan lanjut di internet.

Antara Belanga Tanah dan Porcelain

'Porcelain' antara barangan terpenting berasal dari tanah.

Amat menakjubkan bagaimana manusia dapat mencipta peralatan yang berguna untuk kegunaan harian daripada tanah dan menghasilkan pelbagai barangan. Peralatan yang dihasilkan dari tanah ini telah digunakan sejak ribuan tahun dahulu dan antara barangan yang paling baik dihasilkan daripada tanah ini adalah ‘porcelain’. Porcelain merupakan bahan yang terbaik dihasilkan daripada tanah (dari jenis tanah tertentu) dan juga melalui proses pembuatan/pembakaran yang jauh berbeza.

Barangan tembikar telah dihasilkan oleh manusia sebelum zaman Neolitik lagi dan barangan tembikar telah dijumpai di  Czech Republic bertarikh sekitar 29,000–25,000 BC. Manakala kapal membawa barangan tembikar ditemui di Jiangxi, China bertarikh 20,000 BC. Di Jepun pula peralatan awal zaman Neolitik ditemui di Jomon, bertarikh sekitar 10,500 BC, dan di Timur Jauh Russia bertarikh 14,000 BC begitu juga dengan kawasan lain seperti Sub-Sahara Afrika dan juga Amerika Selatan.

Proses penyediaan tanah liat di India untuk membuat barangan tembikar.

Belanga tanah antara contoh barangan tembikar yang masih digunakan.

Porcelain dari Dinasti Song.

Di negara kita Malaysia, barangan terkenal yang dihasilkan dari tanah ini adalah ‘labu sayong’. Walaupun ia kemudiannya berkembang untuk beberapa barangan yang lain, namun penghasilan labu sayong tidak mengalami banyak perubahan sepertimana semenjak ianya mula dihasilkan dahulu. Mungkin ini kerana, penghasilan labu sayong sebernarnya agak baru – sebelum kedatangan barangan moden yang membantutkan peluangnya untuk dimajukan.

Peralatan tembikar amat peting bagi pembangunan peradaban manusia apatah lagi sebelum bermulanya zaman logam. Barangan tembikar bukan sahaja digunakan sebagai peralatan untuk memasak, tetapi sebagai penyimpanan barang, air minuman yang dapat membantu memudahkan kehidupan manusia di peringkat awal. Dari sinilah, teknik penghasilan tembikar diperbaiki dari semasa ke semasa sehingga mencapai tahap yang lebih baik iaitu – penghasilan ‘porcelain’. Melalui penghasilan porcelain, barangan yang dihasilkan berubah daripada barangan keperluan menjadi barangan yang mempunyai fungsi sebagai hiasan, ataupaun barangan mewah dan sebagai barangan eksport yang penting.

Berbeza dengan barangan tembikar biasa, porcelain mempunyai porositi yang rendah dan hampir menyamai kaca. Apabila diketuk, barangan porcelain akan menghasilkan bunyi ‘ting’ (seperti besi yang diketuk), yang menunjukkan kepadatan teksturnya.

Sifat separa lutsinar pada 'porcelain'.

Mangkuk porcelain lama dari China.

Mineral 'Koalinite' yang menghasilkan koalin.

Porcelain dari zaman Ming Dinasti.

Porcelain juga dihasilkan menggunakan tanah liat istimewa yang dipanggil ‘gaoling’ atau ‘Kaolin’ yang dihasilkan daripada mineral ‘kaolinite’. Ia juga adakalanya dikenali sebagai ‘China Clay’. Nama ‘kaolin’ adalah beasal daripada ‘Chinese Kao-Ling’ (Gāolǐng), iaitu sebuah kampung di Jingdezhen, Daerah Jiangxi, China.

Barangan tembikar biasa, kebiasaannya akan dibakar pada suhu rendah iaitu di antara 800°C ke 1,100°C. Bagi barangan porcelain pula ia disaluti dengan ‘glaze’ berkaca yang kemudiannya dibakar pada suhu melebihi 1,200°C yang membentuk kristal yang kuat. Bagi tanah liat biasa, pembakaran pada suhu tinggi sahaja tidak cukup untuk menukarkan ianya kepada ‘porcelain’ sebaliknya hanya akan menukarkan ia menjadi sedikit seperti kaca.

Bagi barangan tembikar biasa, ia tidak telap cahaya walaupun ia senipis beberapa mm tebal, sebaliknya ‘porcelain’ pula mempunyai sifat separa lutsinar dan membolehkan anda melihat sedikit cahaya menembusinya.

China mendahului negara-negara lain dalam penghasilan barangan tembikar mahupun ‘porcelain’. Barangan tembikar yang dihasilkan semasa Dinasti Han, turut dihasilkan dalam bentuk disaluti ‘glaze’ dan juga yang tidak disaluti ‘glaze’ dalam kuantiti yang banyak. Begitu juga dengan barangan ‘porcelain’ yang dihasilkan dengan ‘glaze’ tetapi dengan dua kaedah iaitu ‘high-temperature glaze’, dan kaedah kedua iaitu ‘low-temperature glaze’.

Porcelain terus menjadi barangan dagangan penting antara Timur dan Barat sehingga banyak kapal dagangan yang karam didapati membawa sebahagian besar muatannya terdiri daripada barangan tembikar dan porcelain dari China. Kepentingan barangan ini menyebabkan Eropah mencari kaedah menghasilkan porcelainnya sendiri dengan pelbagai percubaan.

Walaupun bahan penghasilan porcelain adalah ‘Koalin’, melalui pelbagai percubaan akhirnya porcelain dapat dihasilkan dengan beberapa bahan yang lain termasuklah  feldspar, ball clay, glass, bone ash, steatite, quartz, petuntse dan alabaster. Bahan-bahan ini adalah bahan gantian kerana ‘Kolain’ tidak terdapat di Eropah – dan juga semasa bahan tersebut masih belum diketahui.

Barangan tembikar dan porcelain ini terus menjadi barangan penting dan salah satu industri penting di Eropah. Banyak syarikat-syarikat penghasilan porcelain bermutu tinggi di serata Eropah yang masih bertahan sehingga hari ini dengan penghasilan barangan porcelain yang sangat bermutu tinggi.

Barangan tembikar yang dikenali sebagai 'Labu Sayong'.

Antara penghsilan barangan moden daripada 'Labu Sayong'.

Begitulah pentingnya barangan yang pada asalnya hanya dihasilkan daripada tanah dan kemudiannya diubah menjadi suatu barangan berkualiti tinggi dengan harga yang amat tinggi pula. Ia bukanlah terjadi dengan mudah melainkan melalui banyak percubaan, perubahan, pembaikan dan usaha berterusan. Pada mulanya saya hanya terkenangkan ‘labu sayong’. Apakah yang akan berlaku pada ‘labu sayong’, pada masa hadapan?...

Perlumbaan Penghasilan Sutera Labah-Labah Sintetik

Sutera labah-labah merupakan bahan yang hebat.

Sutera adalah antara bahan yang sering mendapat perhatian di dalam artikel dari MyRokan atas sebab kepentingannya dalam alam mahupun bagi manusia dalam membuat pakaian. Penggunaan sutera juga semakin penting apabila mendapati ia berpotensi untuk digunakan dalam bidang perubatan, keselamatan dan lain-lain lapangan sektor pembuatan.

Sutera merupakan bahan asli yang dihasilkan oleh beberapa jenis hidupan dan serangga untuk kegunaan seperti membina sarang bagi labah-labah dan kerengga, manakala membentuk kepompong pada ulat sutera. Namun terdapat banyak lagi hidupan yang boleh menghasilkan sutera dalam kuantiti yang kecil untuk pelbagai kegunaan.

Sutera yang dihasilkan oleh MIT.

Para penyelidik daripada Utah State University.

Sutera yang dihasilkan oleh labah-labah merupakan antara sutera yang mendapat perhatian kerana ia mempunyai potensi untuk digunakan sebagai bahan untuk digunakan dalam pelbagai lapangan seperti yang dinyatakan di atas. Namun begitu, sutera ini tidak dapat dihasilkan secara komersial sepertimana yang dilakukan dengan sutera yang dihasilkan oleh ulat sutera. Maka dengan itu usaha untuk menghasilkan sutera secara sintetik merupakan antara impian para saintis supaya bahan ini dapat digunakan suatu hari nanti.

Penghasilan sutera secara sintetik telah dikaji sejak tahun 1990-an lagi. Pada sekitar tahun 2013 sebuah firma dari Jepun iaitu Spiber mengumumkan tentang penghasilan sutera labah-labah sintetiknya bakal dihasilkan pada tahun 2015. Penghasilan menggunakan bakteria ini merupakan kaedah terbaik untuk penghasilan sutera sintetik pada skala yang lebih besar.

Kepompong ulat sutera.

Kain sutera, lembut dan cantik.

Namun menjelang tahun ini, banyak lagi institusi yang turut mengumumkan kejayaan yang hampir serupa antaranya adalah Utah State University dan juga institusi yang tidak asing lagi iaitu MIT juga mengumumkan tentang penghasilan sutera labah-labah secara sintetik ini. Kaedahnya juga adalah hampir sama iaitu dengan menggunakan bakteri untuk menghasilkan protein yang membentuk sutera tersebut.

Proses ini melalui 4 peringkat yang berbeza iaitu pertama adalah “Molecular Design” iaitu bagi mendapatkan struktur protein yang betul untuk menghasilkan sutera seperti yang diperlukan. “Gene Synthesis”  adalah untuk menyempurnakan benang sutera labah-labah . “Microbial Fermentation” proses ini adalah untuk memastikan penghasilan seperti yang telah disintesiskan. Maka proses inilah yang akan dijalankan oleh bakteria dan sentiasa cuba dipertingkatkan untuk penghasilan yang lebih tinggi. “Spinning” merupakan proses terakhir untuk membentuk bebenang sutera.

Jika segalanya berjalan dengan lancar, penggunaan sutera untuk rekaan bahan-bahan akan datang akan menjadi satu fenomena baru. Ia dikatakan lebih kuat berbanding kevlar, lebih kuat dari besi dan lebih ringan dari ‘carbon fibre’. Malah penggunaannya dalam perubatan juga dikatakan lebih baik selain potensi lain di dalam kejuruteraan permotoran dan baju kalis peluru. Itu dia kelebihan sutera!