Mengubah Panas Menjadi Tenaga Dengan Pita Graphene

Fisikawan kuantum Mickael Perrin menggunakan graphene rekaman untuk dibuat skala nano pembangkit listrik yang mengubah limbah panas dari peralatan listrik menjadi listrik.

Ketika Mickael Perrin memulai karir ilmiahnya 12 tahun yang lalu, dia tidak tahu bahwa dia sedang melakukan penelitian di bidang yang baru beberapa tahun kemudian menarik minat publik luas: elektronika kuantum.

“Pada saat itu, fisikawan baru mulai berbicara tentang potensi teknologi kuantum dan komputer kuantum,” kenangnya. “Saat ini terdapat lusinan perusahaan rintisan (start-up) di bidang ini, dan pemerintah serta perusahaan menginvestasikan miliaran dolar untuk mengembangkan teknologi ini lebih lanjut. Kami sekarang melihat penerapan pertama dalam ilmu komputer, kriptografi, komunikasi, dan sensor.”

Penelitian Perrin membuka bidang penerapan lain: produksi listrik menggunakan efek kuantum dengan kehilangan energi hampir nol. Untuk mencapai hal ini, ilmuwan berusia 36 tahun ini menggabungkan dua disiplin ilmu fisika yang biasanya terpisah: termodinamika dan mekanika kuantum.

Mengenali Keunggulan

Pada tahun lalu, kualitas penelitian Perrin dan potensi penerapannya di masa depan telah memberinya dua penghargaan: ia menerima tidak hanya satu dari Hibah Awal ERC yang sangat dicari oleh para peneliti muda, namun juga Eccellenza Professorial Fellowship of Yayasan Sains Nasional Swiss (SNS)F. Dia sekarang memimpin kelompok penelitian beranggotakan sembilan orang di Empa serta menjadi Asisten Profesor Quantum Electronics di ETH Zurich.

Perjalanan Melalui Fisika

Perrin memberi tahu kita bahwa dia tidak pernah menganggap dirinya memiliki bakat alami dalam matematika. “Keingintahuanlah yang mendorong saya mengambil jurusan fisika. Saya ingin mendapatkan pemahaman yang lebih baik tentang cara kerja dunia di sekitar kita, dan fisika menawarkan alat yang sangat baik untuk melakukan hal tersebut.” Setelah menyelesaikan sekolah menengah atas di Amsterdam, ia mulai mengambil gelar di bidang fisika terapan di Universitas Teknologi Delft (TU Delft) pada tahun 2005. Sejak awal, Perrin lebih tertarik pada aplikasi konkrit daripada teori.

Saat belajar di bawah bimbingan Herre van der Zant, seorang pionir di bidang elektronika kuantum, Perrin pertama kali merasakan ketertarikan dalam merekayasa perangkat kecil pada skala mikro dan skala nano. Dia segera menyadari kemungkinan tak terbatas yang disajikan oleh elektronik molekuler, karena sirkuit memiliki karakteristik yang sangat berbeda tergantung pada molekul dan bahan yang dipilih, dan dapat digunakan sebagai transistor, dioda, atau sensor.

Tantangan Rekayasa Skala Nano

Saat belajar untuk gelar doktornya, Perrin menghabiskan banyak waktu di ruang bersih nanolab di TU Delft – terus-menerus dibungkus dengan kain putih di seluruh tubuh untuk mencegah miniatur elektronik terkontaminasi oleh rambut atau partikel debu. Cleanroom menyediakan infrastruktur teknologi untuk membuat mesin berukuran beberapa nanometer (sekitar 10.000 kali lebih kecil dari diameter rambut manusia).

“Secara umum, semakin kecil struktur yang ingin Anda bangun, semakin besar dan mahal alat berat yang Anda perlukan untuk membangunnya,” jelas Perrin. Mesin litografi, misalnya, digunakan untuk membuat pola sirkuit mini yang kompleks pada microchip. “Nanofabrikasi dan fisika eksperimental memerlukan banyak kreativitas dan kesabaran, karena hampir selalu terjadi kesalahan,” kata Perrin. “Namun, hasil yang aneh dan tidak terduga sering kali menjadi hal yang paling menarik.”

Graphene – Bahan Ajaib

Setahun setelah menyelesaikan gelar doktornya, Perrin memperoleh jabatan di Empa di laboratorium Michel Calame, seorang ahli dalam mengintegrasikan material kuantum ke dalam perangkat nano. Sejak itu, Perrin – warga negara Perancis dan Swiss – tinggal di Dübendorf bersama pasangan dan dua putrinya.

“Swiss adalah pilihan yang baik bagi saya karena beberapa alasan,” katanya. “Infrastruktur penelitian tidak ada bandingannya.” Empa, ETH Zurich dan Pusat Penelitian IBM di Rüschlikon menyediakan semua yang dia butuhkan untuk menghasilkan struktur nano, serta alat ukur untuk mengujinya.

“Juga, aku tipe orang yang suka beraktivitas di luar ruangan. Saya suka pegunungan, dan sering berjalan-jalan dan bermain ski bersama keluarga saya.” Perrin juga seorang pemanjat tebing yang rajin. Dia terkadang melakukan pendakian di lembah terpencil selama berminggu-minggu, sering kali di Prancis, yang merupakan negara asal keluarganya.

Di Empa, peneliti muda ini mempunyai kebebasan untuk terus bereksperimen dengan material nano. Bahan tertentu segera menarik perhatiannya: pita nano graphene, bahan yang terbuat dari atom karbon setipis atom individu. Pita nano ini diproduksi dengan presisi tertinggi oleh kelompok Roman Fasel di Empa. Perrin mampu menunjukkan bahwa pita ini memiliki sifat unik dan dapat digunakan untuk seluruh teknologi kuantum.

Pada saat yang sama, ia mulai tertarik mengubah panas menjadi energi listrik. Pada tahun 2018 terbukti bahwa efek kuantum dapat digunakan untuk mengubah energi panas menjadi listrik secara efisien.

Hingga saat ini, masalahnya adalah bahwa sifat fisik yang diinginkan ini hanya muncul pada suhu yang sangat rendah – mendekati suhu tersebut nol mutlak (0 Kelvin; -273°C). Hal ini tidak banyak relevansinya dengan potensi aplikasi masa depan seperti pada ponsel pintar atau minisensor. Perrin memiliki ide untuk mengatasi masalah ini dengan menggunakan pita nano graphene. Sifat fisik spesifiknya berarti bahwa suhu memiliki dampak yang jauh lebih kecil terhadap efek kuantum – dan juga efek termoelektrik yang diinginkan – dibandingkan dengan material lain.

Kelompoknya di Empa segera mampu menunjukkan bahwa efek kuantum pita nano graphene sebagian besar tetap terjaga bahkan pada suhu 250 Kelvin, yaitu -23°C. Di masa depan, sistem ini diharapkan dapat bekerja pada suhu ruangan juga.

Tantangan dan Ambisi Masa Depan

Masih banyak tantangan yang harus diatasi sebelum teknologi ini memungkinkan ponsel cerdas kita menggunakan lebih sedikit daya. Miniaturisasi yang ekstrim berarti bahwa komponen khusus tetap diperlukan untuk memastikan bahwa sistem yang dibangun benar-benar berfungsi.

Perrin, bersama rekan-rekannya dari Tiongkok, Inggris, dan Swiss, baru-baru ini menunjukkan bahwa tabung nano karbon dengan diameter hanya satu nanometer dapat diintegrasikan ke dalam sistem tersebut sebagai elektroda. Namun, Perrin memperkirakan dibutuhkan setidaknya 15 tahun lagi sebelum material yang rumit dan sangat rumit ini dapat diproduksi dalam skala besar dan dimasukkan ke dalam perangkat.

“Tujuan saya adalah untuk menemukan dasar fundamental penerapan teknologi ini. Hanya dengan cara ini kita dapat mengukur potensi penggunaan praktisnya.”