Nanosains

Nanosains didefinisikan sebagai studi tentang fenomena dan manipulasi bahan pada skala molekuler dan makromolekulaer, dimana sifatnya berbeda secara signifikan dari bahan yang berada di skala yang lebih besar. Nanoteknologi didefinisikan sebagai desain, karakterisasi, produksi dan penerapan struktur, perangkat dan sistem dengan mengontrol bentuk dan ukuran pada skala nanometer.

Nanao-Science adalah bidang interdisipliner studi yang menggabungkan fisika, kimia dan biokimia, bahan dan bidang teknik listik yang luas. Berkaitan dengan sifat atom dan molekul terdiri atas banyak atom dibawah kisaran yang luar biasa kondisi dan aplikasi geometris. Nanosains tidak terlepas dari teknologi nano atau Nanoteknologi, material berskala nano material yang berukuran submikrometer (10^-6m) atau nanometer (10^-9m), ukuran 1 nanometer adalah 1 per satu miliar meter (0,0000000001 m) artinya 50.000 kali lebih kecil dari ukuran rambut manusia

Sejarah Nanosains

Dalam sejarahnya, peneliti ilmu kimia terus mencari material baru yang memiliki keunggulan dari aspek fisika dan kimia, pada beberapa era dikenal beberapa zaman yaitu zaman batu dimana peralatan terbuat dari batu. Setelah itu adapun zaman alloy atau campuran logam atau lebih dikenal zaman perunggu. Pertengahan abad (abad ke 8-15) berkembang penemuan gelas, perselen dan keramik. Pada zaman modern tepatnya pada  tahun 1937-1947 mulai berkembang material baru yaitu plastic nilon bahan semikonduktor. Era teknologi material yang akan datang ialah era nanoteknologi. Banyak ilmuan berpendapat bahwa akan terjadi revolusi industri dari material konvensional seperti saat ini ke arah material baru produk nanoteknologi yang memiliki partikel dalam ukuran nanometer. Diperkirakan perubahan besar itu akan berdampak luas terhadap produk teknologi saat ini seumpama runtuhnya industri mesin ketik dan Overhead Projector di saat industri komputer dan LCD projector berkembang

Istilah nanotechnology dipopulerkan oleh K. Eric Drexler seorang dosen di Massachusetts Institute of Technology (MIT), USA di tahun sembilan belas delapan puluhan. Ide Dexler menginspirasi Presiden Bush untuk mengalokasikan dana 3,7 billion US dollar setarah dengan 35 triliun rupiah untuk riset nanoteknologi. Dana penelitian 35 triliun ini sangat besar setara dengan 9 tahun APBA hanya diperuntukkan untuk pengembangan nanoteknologi. Impian Dexler ialah ingin membuat peralatan elektronik dengan ukuran sangat kecil bahkan lebih kecil dari pada sel darah merah. Sel darah merah berukuran 2-5 mikron atau seukuran diameter sehelai rambut yang dibelah 25. Banyak ahli berpendapat bahwa jika kita mampu membuat mesin atau alat elektronik seukuran itu maka alat tersebut bisa dimasukkan ke dalam pembuluh darah dan diarahkan pada lokasi tertentu untuk membunuh virus, sel-sel kanker atau tujuan lainnya

Nanoteknologi merupakan merupakan ilmu yang mempelajari partikel dalam rentang ukuran 1-1000 nm (Suwarda dan Maarif), partikel yang sangat kecil dimanfaatkan untuk mendesain atau memanipulasi material sehingga menghasilkan produk dengan sifat dan kegunaan baru. Nanoteknologi banyak dimanfaatkan untuk meningkatkan kualitas dalam berbagai bidang seperti bidang pangan, bidang farmasi, adapun perkembangan nanomaterial dan nano di alam dan nanomagnetik

Aplikasi Nanosains dan Nanoteknologi

Perkembangan nanoteknologi digolongkan menjadi 3 bagian yakni (i) nanoteknologi bertahap, (ii) nanoteknologi bertahap, (iii) nanoteknologi radikal. Nanoteknologi bertahap adalah aplikasi nanoteknologi yang bersifat jangka pendek. Berbagai penemua terjadi sangat cepat dalam jangka waktu yang tidak terlalu lama, dengan demikian masih dalam tahap penelitian. Sedangkan nanoteknologi radikal adalah berbagai kemungkinan aplikasi yang di masa depan juga nampak tidak memungkinkan

Perkembangan Teknologi Nano

Elektronika

Aplikasi nanoteknologi di bidang elektronika bertumpu pada apa yang disebut sebagai single electron devices (divais elektron tunggal). Ini adalah berbagai divais yang berbasis pada hanya satu atau beberapa elektron saja. Elektron-elektron ini dapat dikendalikan dan diatur sepenuhnya

Tujuan utama aplikasi nanoteknologi di bidang elektronika adalah meningkatkan tenaga, kapasitas, dan kecepatan alat beberapa kali lipat dari yang ada sekarang ini. Pada prinsipnya, aplikasi ini merupakan aplikasi yang evolusioner, yang hampir menjadi produk untuk konsumen. Sebagai contoh, untuk komputer, perakitan berbasis nanoteknologi akan dilakukan secara bottom up.Dengan demikian, hasil yang diharapkan antara lain, ukuran chips yang 3 sampai 4 kali lebih kecil, daya dengan 2 sampai 3 kali lebih besar, dan tidak diperlukan start up time (no start up time). Lebih khusus lagi, untuk prosesor komputer, transistornya akan dibuat menggunakan tabung nano karbon yang memiliki arus dengan nilai dua kali lipat arus saat ini. Dengan demikian, diharapkan kinerja dari prosesor akan bertambah baik, sedangkan kebocoran makin kecil. Selain itu, memori komputer akan dirancang menggunakan nanodot (titik nano) berbasis nikel. Akibatnya, kapasitas simpanannya diharapkan dapat mencapai orde terabyte, sedangkan pengepakannya dapat lebih berdekatan karena mereka berperilaku sebagai bagian-bagian yang berdiri sendiri

Militer

Nanoteknologi dalam bidang militer terkait dengan aplikasi ilmu-ilmu fisika, kimia, dan biologi. Salah satu Negara yang sedang mengembangkan nanoteknologi di bidang militer adalah Amerika Serikat. Militer Amerika Serikat menggunakan peralatan elektronik dalam kesehariannya. Penginderaan di malam hari dan sensor suhu digunakan oleh tentara, pilot pesawat terbang, dan pesawat terbang tanpa awak. Nanoteknologi memberikan memberikan keuntungan bagi militer Amerika Serikat . Inti dari penginderaan malam hari (night vision) adalah adalah lempeng microchannel (microchannel plate-MCP). Elektron-elektron akan melewati ribuan microchannel yang nantinya akan melipatgandakan jumlah elektron. Selanjutnya elektron-elektron tersebut akan melewati layar fosfor. Ilustrais penginderaan malam hari dapat diamati pada gambar dibawah ini

Industri Mobil

Aplikasi nanoteknologi dalam industri automotif terkait dengan berbagai hal antara lain: (i) pelapisan (coating) pada badan (body) mobil, (ii) aplikasi struktural, (iii) produkproduk di pasaran, dan (iv) aplikasi-aplikasi potensial lainnya. Pelapisan pada body mobil menggunkan nano partikel akan memberikan berbagai keuntungan di antaranya, tiga kali lebih tahan terhadap goresan dan kecemerlangan yang lebih lama. Tujuan dari aplikasi struktural dalam industri atutomotif adalah untuk mengurangi massa dari mobil tetapi tetap cukup kuat untuk menopang kerangka mobil. Hal ini akan berakibat pada makin hematnya penggunaan bahan bakar mobil. Pelapisan pada pelindung angin (windshield) dapat menolak hujan, serangga, kotoran burung, cat semprot, ataupun cairan lainnya. Pemurni udara dalam mobil dapat membersihkan udara melalui reaksi fotokalitik. Sebuah aplikasi potensial nanoteknologi adalah pada pendingin mesin Pendingin mesin berbasis nano partikel akan memberikan thermal kondutivitas yang lebih besar sehingga transfer panas akan lebih baik. Bebagai aplikasi nanoteknologi pada industri automotif dapat diamati pada gambar di bawah ini. Nano Technology juga bisa berkembang menjadi Carbon Nano-Chip, yang merupakan bahan sangat kuat dan ringan, yang akan membuat revolusi kekuatan material. Artinya, Nano-Chip mampu mempengaruhi industri ruang angkasa, dan industri automotif

• Bila mobil yang dilapisi Carbon Nano-Chip, akan membuat si pengemudi tidak usah takut lagi jika terjadi kecelakaan
•  Bila badan pesawat dilapisi Carbon Nano-Chip, kekuatannya akan menjadi luar biasa, akibatnya pesawat akan mampu menahan gesekan dari benda-benda apa pun, pesawat juga bisa mencapai daerah yang lebih jauh lagi.

Industri Konveksi

Nanoteknologi dapat diaplikasikan pula pada industri konveksi (kain). Berbagai aplikasi nanoteknologi dalam industri konveksi antara lain, (i) tahan terhadap tumpahan dan kotoran, (ii) tahan air, (iii) tahan bau, dan (iv) kemampuan untuk menghantarkan listrik. Suatu bahan kain dapat dilapisi dengan serat polyester yang mengandung filamentfilamen nanosilikon. Lapisan filament nanosilikon memiliki sifat hidrofobik (tidak menyukai air). Akibatnya, bahan kain ini akan mencegah air untuk membasahi bahan

Nanomaterial anti refleksi

Lapisan berskala nano juga dapat diberikan pada bahan optis seperti kaca atau kacamata sehingga bahan tersebut kemampuan anti refleksi terhadap cahaya matahari maupun sinar infra merah.

Aplikasi Teknologi Nano

Aplikasi Nanoteknologi di Bidang Pertanian dan Pangan

Agroindustri	Contoh Penerapan Teknologi Nano
Pembibitan/benih tanaman	·         Penggunaan carbon nanotube untuk mempercepat perkecambahan dan pertumbuhan bibit tanaman ·         Penggunaan nano TiO2 (titanium oxide) untuk meningkatkan laju fotosintesis dan indeks vigor ·         Penggunaaan teknologi nanoenkapsulasi untuk memproduksi benih pintar (smart seeds) yang dapat beradaptasi dengan lingkungan ekstrem ·         Rekayasa genetik untuk memperoleh bibit tanaman unggul
Pembibitan Hewan	·         Penggunaaan nanofluidics untuk mempermudah proses fertilisasi melalui proses seleksi sperma dan telur ·         Rekayasa genetik untuk memperoleh bibit hewan unggul
Industri Pupuk	·         Penggunaan teknologi nanoenkapsulasi untuk mengendalikan pelepasan hara pupuk sehingga meningkatkan efisiensi ·         Penggunaan carbon nanotube untuk mempercepat pertumbuhan tanaman
Industri pestisida, herbisida, fungisida	·         Pengembangan pestisida, herbisida, fungisida dalam bentuk emulsi nano dan kapsul nano untuk meningkatkan kelarutan, stabilitas, dan efektivitas
Alat dan Mesin Pertanian (alsintan)	·         Pengembangan sensor nano untuk (i) deteksi mutu benih, (ii) memantau kondisi tanah dan pertumbuhan tanaman, (iii) memantau mutu hasil panen, (iv) deteksi kontaminan dan masa kedaluwarsa produk pertanian ·         Pengembangan alsintan berbahan material maju berbasis nano untuk meningkatkan umur dan kemudahan pemakaian ·         Pengembangan dye-sensitized nanosolar cells pada alsintan untuk meningkatkan efisiensi penggunaan energi
Pakan	·         Penggunaan partikel besi nano untuk meningkatkan laju pertumbuhan ternak ·         Penggunaan teknologi nanoenkapsulasi untuk meningkatkan efisiensi penghantaran nutrisi pakan ·         Penggunaan partikel nano untuk regenerasi sel ternak dan mengikat patogen-patogen berbahaya bagi manusia
Obat Hewan	·         Pengembangan sistem penghantar obat hewan berbasis nano (nano-drug delivery systems) untuk meningkatkan solubilitas, stabilitas, dan efektivitas bahan aktif obat hewan ·         Penggunaan selenium nano untuk membasmi virus pada ternak
Pangan	·         Pengembangan biopreservatif nano untuk mempertahankan mutu produk pangan ·         Pengembangan produk emulsi nano dan kapsul nano untuk meningkatkan kelarutan, stabilitas, penyerapan dan aktivitas biologis zat gizi (fortifikan) dan senyawa aktif ·         Penggunaan partikel nano pada produk pangan untuk menghambat penyerapan lemak dan gula ·         Nanostrukturisasi pangan untuk memperpanjang rasa kenyang ·         Imobilisasi perisa, enzim atau pewarna alami dalam partikel nano untuk meningkatkan cita rasa, sifat fungsional, dan penampilan pangan
Obat Herbal	Pengembangan sistem penghantar obat herbal berbasis nano (nano-drug delivery systems) untuk meningkatkan kelarutan, stabilitas, penyerapan, dan aktivitas farmakologi bahan aktif
Kemasan Pangan	·         Penggunaan nanopartikel sebagai filler untuk memperbaiki sifat mekanis dan permeabilitas kemasan pangan ·         Penggunaan nanokapsul antimikroba pada kemasan pangan untuk mempertahankan mutu ·         Penggunaan sensor nano untuk deteksi kontaminan dan masa kedaluwarsa pangan

Keunggulan dari pupuk teknologi nano jika dibandingkan dengan pupuk konvensional adalah sifat slow release, yakni pelepasan partikel-partikel pupuk baru secara lambat dan terkendali sehingga berpotensi menambah efisiensi penyerapan hara. Dengan cara itu penyerapan dapat terjadi lebih sempurna dibandingkan dengan pupuk konvensional yang hanya mampu diserap 10–50% oleh tanaman, sedangkan sisanya luruh ke tanah dan bisa mencemari lingkungan. Pupuk nano yang menggunakan bahan alami untuk pelapisan dan perekatan granula pupuk yang bisa larut memberi keuntungan karena biaya pembuatannya lebih rendah dibanding pupuk yang bergantung pada bahan pelapis hasil manufaktur. Pupuk yang dilepas dengan lambat dan terkendali bisa pula memperbaiki tanah dengan cara mengurangi efek racun yang terkait dengan pemberian pupuk secara berlebihan

Kelebihan lainnya, pupuk nano pupuk nano hanya perlu diberikan sekali selama masa tanam, sedangkan pupuk konvensional biasanya butuh 2–3 kali penerapan. Dengan demikian, biaya pemupukan bisa dihemat, demikian juga biaya tenaga kerja

Aplikasi pada Bidang Farmasi

• Nano Sensor

           Salah satu kegunaannya mengobati penyakit kanker. Caranya, obat kanker dimasukkan ke dalam Nano robot kecil, lalu ditusukkan ke jari si penderita, dengan remote control, robot bisa diarahkan untuk mencari sendiri sel-sel kanker yang menyebar di dalam tubuh. Begitu sampai di tempat sel-sel kanker tersebut, robot akan melepaskan bom, kemudian sel kanker akan mati dan hancur. Sel itu akan keluar melalui pembuangan kotoran manusia bersama Nano Robot. Selain kanker, beragam penyakit juga bisa disembuhkan. Selain energy, ada juga Nano air yang mampu mengubah air limbah, laut menjadi air tawar yang bersih, Nano Device dan lain-lain

• Nano Partikel sebagai Penghantar Obat

Kelebihan dari nanopartikrl adalah kemampuan dalam menembus ruang-ruang antarsel yang hanya ditembus oleh ukuran partikel koloida pembentukan nanopartikel dapat dicapai dengan berbagai teknik, pada sediaan farmasi nanopartikel dapat berupa system obat dalam matriks seperti nanosfer dan nanokapsul, nanopolisom, nanoemulsi dan sebagai system yang dikombinasikan dalam perancah (scaffold) dan penghantaran transdermal

•  Nanopartikel Berbasis Biopolimer

Polimer merupakan molekul rantai dengan molekul gabungan monomer yang berulang. Keberulangan monomer ini membuat polimer memiliki sifat kimiawi khas yang kuat. Sifat kimiawi dari satu buah monomer utamanya gugus fungsi spesifik yang berperan pada berbagai keperluan interaksi kimiawi, tersedia dalam jumlah yang banyak dan membuka peluang untuk dimanfaatkan pada banyak keperluan yang membutuhkan interaksi kimiawi spesifik dalam jumlah yang melimpah, misalnya sebagai fase diam dalam pemisahan pada kromatografi, serta dalam pengembangan sediaan farmasi sebagai eksipien dalam formulasi dan sebagai matriks

Polimer yang cukup popular digunakan dalam system nanopartikel adalah Kitosan. Kitosan memiliki beberapa sifat khas yaitu kemampuan membuka kaitan antarsel (tight junction) pada membrane usus sehingga sangat potensial untuk dikembangkan sebagai bahan pembuatan nanopartikel untuk aplikasi per oral. Biokompatibilitas kitosan dikarenakan kitosan merupakan polimer yang diperoleh dari hidrolisis polimer kitin yang berasal sumber alam yang sudah menjadi konsumsi umum pada cangkang hewan laut, sehingga cenderung tidak menimbulkan ketoksikan pada dosis terapi, selain dari sifatnya yang sekaligus biodegradabel

• Nanoliposom dan nanoemulsi

Efektivitas nanoliposom dalam penghantaran obat salah satunya ditunjukkan pada formulasi nanoliposom ticarcillin sebagai obat antibiotika, yang diproduksi dengan menggunakan metode tekanan (ekstrusi). Nanoliposom dapat dimanfaatkan sebagai perlindungan terhadap obat dari degradasi biologis sebelum sampai pada tempat yang diharapkan

Secara konseptual, nanoemulsi berbeda dengan nanoliposom meskipun sama-sama memiliki kelebihan pada keberadaan fase hidrofob. Fase hidrofob ini yang berpengaruh cukup signifikan pada kemampuan penetrasi formula menembus membran biologis yang berkarakter lipid-bilayer. Peningkatan efek obat pada dosis yang sama sebagai hasil positif juga dapat diperoleh dari formulasi nanoemulsi. Pengembangan terkini sistem nanoemulsi untuk aplikasi oral melalui saluran gastrointestinal adalah teknologi auto-emulsifikasi (Self-nanoemulsifying drug delivery systems/SNEDDs). Konsep dari teknologi ini adalah formulasi antara minyak, surfaktan, dan kosurfaktan yang mengandung obat. Sistem ini selanjutnya akan masuk ke saluran cerna dan bercampur dengan cairan usus yang mengandung air. Ketika formula bercampur dengan cairan usus, maka akan terjadi emulsifikasi spontan yang menghasilkan globul berukuran nanometer

Ilustrasi konsep sistem penghantaran obat auto-nanoemulsifikasi (self-nanoemulsifying drug delivery system (SNEDDS). Sediaan diberikan dalam kombinasi obat, minyak, surfkatan, dan kosurfaktan, kemudian akan mengalami proses emulsifikasi spontan di dalam cairan cerna saat mengalami pencampuran dengan cairan usus. Nanoemulsi selanjutnya mengalami proses absorpsi

•  Nanopartikel sebagai system penghantar tertarget

Pengembangan penghantaran obat tertarget berfungsi untuk meningkatkan efektivitas dan efisiensi obat yang diaplikasikan, sekaligus keamanan penggunaan obat karena mencegah obat untuk bereaksi pada tempat yang tidak diharapkan. Penghantaran obat jenis ini secara umum dipahami sebagai hubungan ligan dengan ligan, ligan dengan protein, atau protein dengan protein, karena kesesuaian interaksi spesifik dapat diketahui dari fenomena kimiawi tersebut. Pemanfaatan protein sebagai konjugat sistem nanopartikel adalah memanfaatkan kekhasan dari polimer protein. Polimer ini tidak terbentuk atas monomer yang terus berulang seperti halnya pada polimer secara umum. Asam amino penyusun suatu protein dapat membentuk kombinasi urutan yang tak terbatas, membentuk sifat yang sangat spesifik dari tiap protein, sehingga dapat mengadakan suatu interaksi yang sangat spesifik pula. Oleh karena itu, protein banyak digunakan sebagai konjugat dalam sistem penghantaran obat. Polimer lain seperti derivat gula juga cukup banyak dipresentasikan karena gula merupakan komponen membran seluler yang dapat juga secara spesifik terdapat pada sel tertentu

Nano di Alam dan Nanomagnetik

1. Nanomagnetik, pada otak binatang mengandung sensor nanomagnetik yang khusus. Inilah yang menyebabkan mereka mampu merasakan medan magnet.
2. Kupu-kupu, warna dari sayap kupu-kupu duhasilkan dari hamburan cahaya. Pada sayap kupu-kupu disusun oleh materi berstruktur nano. Cahaya sayapnya menciptakan inferensi cahaya (seperti minyak didalam air), karenanya dihasilkan pelangi ketika cahaya mengenai sayap kupu-kupu.
3.  Kunang-kunang, cahaya yang dihasilkan oleh kunang-kunang termasuk nanosains yang disebut dengan bioluminescence. Cahaya yang dihasilkan disebabkan oleh adanya elektron yang dihasilkan oleh enzim dari kunang-kunang, ketika elektron menuju stabil mereka menghasilkan cahaya.
4. Serangga air, diselimuti oleh banyak sekali rambut berukuran sangat kecilberukuran nano. Udara terjebak di celah-celahrambut kecilnya. Sehingga mencegah kakinya agar tidak basah.
5. Laba-laba, Laba-laba menggunakan struktur dengan ukuran nano. Di bawah rambutnya yang tebal, pada kaki laba-laba, adalah serat dengan ukuran nano. Setiap seratnya tertutup banyak rambut. Ketika rambut-rambut ini menempel pada sebuah permukaan, dapatmenahan 170 kali berat badannya

Beberapa Fokus Pengembangan Nanoteknologi

1. Untuk pembuatan nanomaterial yang ditargetkan untuk pensuplai bahan baku produk nano untuk aplikasi di bidang TI, transportasi, elektronik, dll
2. Untuk nano-bioteknologi yang ditargetkan untuk peningkatan hasil pangan dan pertanian
3. Bidang farmasi dan kesehatan yang ditargetkan untuk peningkatan kualitas obat Indonesia
4. Untuk pemenuhan dan konservasi energi nasional.
5. Terobosan dalam bidang ini adalah penggunaan material cerdas yang diimplantasi dalam tubuh manusia untuk kepentingan pendeteksian penyakit yaitu terobosan dalam perkembangan Nanosensor.