Nanosains

Nanosains didefinisikan sebagai studi tentang fenomena dan manipulasi bahan pada skala molekuler dan makromolekulaer, sifatnya berbeda secara signifikan dari bahan yang berada di skala yang lebih besar. Nanosains adalah bidang interdisipliner studi yang menggabungkan fisika, kimia dan biokimia, bahan dan bidang teknik listrik 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

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 dengan 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

Nanosains menggabungkan aspek-aspek fisika, kimia dan biologi dalam satu teknologi dengan tujuan tertentu, peralatan elektronik dibidang kedokteran yang dibuat dengan ukuran sangat kecil bahkan lebih kecil daripada 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, 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

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 tampak tidak memungkinkan

Aplikasi Nanoteknologi di Bidang Pertanian dan Pangan

Agroindustri	Contoh Penerapan Teknologi Nanosains
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 sistem 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 Nanosains

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.