Tiub Nano Karbon Bergrafen (GCNT): Inovasi Nano untuk Aplikasi Tenaga dan Elektronik Fleksibel

Penulis: Siti Najihah Ramlay¹, Dr. Ismayadi Ismail²
¹′²Institut Nanosains dan Nanoteknologi (ION2), Universiti Putra Malaysia (UPM)

Teknologi bergerak sangat pantas di era pemodenan ini sehingga dapat merasakan setiap hari pasti terdapat teknologi dan inovasi baru yang akan mengubah masa depan. Setiap hari penyelidikan terus menerus dilakukan untuk memastikan keperluan industri menjadi lebih baik seiring dengan teknologi masa depan yang terus meningkat. Antara teknologi masa depan tersebut adalah seperti pengecasan pantas, penyimpanan tenaga dan penyerapan haba yang lebih baik. Inovasi terkini dalam teknologi nano masa depan melibatkan bahan nano yang maju seperti grafen dan tiub nano karbon (CNT). Oleh itu, artikel ini akan memperkenalkan gabungan dua bahan nano utama iaitu grafen, struktur karbon dua dimensi (2D), dan tiub nano karbon, yang merupakan struktur satu dimensi (1D) yang digabungkan membentuk bahan hibrid tiga dimensi (3D) dikenali sebagai tiub nano karbon bergrafen (Graphenated Carbon Nanotubes (GCNT)). Struktur unik GCNT ini bukan sahaja menggabungkan kelebihan kedua-dua bahan, malah menawarkan peningkatan ketara dari segi kekonduksian, kekuatan mekanikal dan fleksibiliti. Ia berpotensi besar untuk diaplikasikan dalam pelbagai teknologi elektronik moden serta kegunaan harian berprestasi tinggi.

Grafit ialah satu bentuk alotrop karbon yang mempunyai struktur berlapis. Ia terdiri daripada lapisan-lapisan atom karbon yang tersusun dalam corak heksagon. Grafen pula ialah alotrop karbon yang terdiri daripada satu lapisan atom yang tersusun secara heksagonal yang berjaya diasingkan daripada grafit (seperti rajah di atas). Grafen telah ditemui oleh Profesor Andre Geim dan Profesor Kostya Novoselov pada tahun 2004 dengan menggunakan kaedah pita pelekat. Sejak itu, bahan ini telah menarik perhatian ramai penyelidik dalam bidang sains bahan dan kejuruteraan mekanikal untuk menghasilkannya serta memanfaatkan potensinya.

CNT pula adalah gulungan grafen yang membentuk silinder satu dimensi (seperti dalam rajah 2). Dalam satu kajian yang diterbitkan dalam jurnal Nature pada tahun 2006 oleh M. Reibold, P. Paufler dan rakan-rakannya [Rujukan 1], didapati bahawa keluli pada pedang Damascus yang terkenal sejak zaman Perang Salib dan digunakan oleh tentera Islam mengandungi struktur CNT serta nanowire cementite. Kajian ini dijalankan menggunakan mikroskop transmisi elektron beresolusi tinggi terhadap sampel pedang Damascus dari abad ke-17. Pedang tersebut terkenal bukan sahaja dengan corak beralun yang unik dikenali sebagai “damask”, tetapi juga kerana kekuatan mekanikalnya yang luar biasa dan ketajaman mata bilahnya yang mengagumkan. Penemuan struktur nano ini dipercayai menyumbang kepada keindahan corak serta sifat luar biasa keluli karbon ultra tinggi yang diperoleh daripada resipi kuno yang telah lama hilang.

Pada tahun 1991, Iijima telah menemui tiub nano karbon (CNT) yang membawa kepada kemunculan cabang baharu dalam sains bahan iaitu nano sains. CNT memiliki kekuatan 100 kali ganda lebih tinggi dan hanya seberat satu perenam daripada keluli. Ia juga berfungsi sebagai pengalir haba dan elektrik yang cekap serta tahan pengoksidaan jika disebar dengan baik. CNT telah digunakan secara meluas dalam polimer, penyalutan, cat antikarat dan pelbagai aplikasi industri lain.

Grafen dan CNT tersebut mempunyai kekonduksian elektrik dan kekuatan mekanik yang tinggi serta fleksibel. GCNT iaitu penggabungan unik kedua-dua bahan nano tersebut membentuk grafen yang tumbuh di sisi tiub CNT. Grafen dianalogikan sebagai daun yang melekat pada dahan pokok, iaitu CNT. Antara kelebihan GCNT ini ialah permukaan bahan yang lebih luas, ‘edge sites’ yang banyak untuk pergerakan elektron dan ia juga tidak mudah bergumpal atau runtuh [Rujukan 2].

Antara kaedah yang digunakan untuk menghasilkan GCNT ialah kaedah pemendakan wap kimia (CVD), helaian grafen ditumbuhkan pada permukaan tiub CNT menggunakan gas karbon seperti metana atau asetilena yang dipanaskan pada suhu tinggi. Gas ini terurai lalu membekalkan atom karbon yang seterusnya membentuk grafen pada dinding CNT. Parameter seperti suhu, masa tindak balas, jenis gas, dan kadar aliran gas sangat mempengaruhi bentuk, ketebalan, serta kualiti grafen yang terhasil. Kaedah ini memerlukan kawalan yang sangat tepat untuk menghasilkan struktur GCNT yang konsisten.

Selain itu, teknik Floating Catalyst CVD (FCCVD) menawarkan kaedah yang lebih efisien. Dalam teknik ini, pemangkin logam seperti besi atau kobalt diapungkan bersama gas karbon ke dalam ruang tindak balas bersuhu tinggi. Sebagai contoh, ferosen (sumber logam) dan xilena (sumber karbon) yang sering digunakan. Pemangkin yang terapung ini menyokong pertumbuhan CNT secara serentak dengan pembentukan grafen pada permukaannya membolehkan sintesis GCNT dalam satu proses bersepadu.

Namun begitu, kedua-dua kaedah ini masih menghadapi cabaran seperti konsistensi struktur, kawalan morfologi, serta pengeluaran berskala besar. Oleh itu, penyelidikan berterusan amat penting untuk menambah baik teknik sintesis agar GCNT dapat dihasilkan secara lebih mampan dan kos yang efektif demi memenuhi keperluan industri masa hadapan.

GCNT menjadi menarik kerana kombinasi kelebihan-kelebihan yang diperolehi grafen dan CNT. Dengan luas pemukaan yang besar, GCNT mempunyai konduktiviti elektrik dan haba yang tinggi membolehkan lebih banyak penyimpanan cas elektrik dan penyerapan haba. Selain itu, walaupun grafen mempunyai kekonduksian yang tinggi, namun rintangan yang terhasil pada penghujung helaian grafen yang disusun secara bertindan adalah tinggi. Hal ini kerana elektron perlu ‘melompat’ dari satu helaian kepada helaian yang lain. Oleh itu, penggabungan grafen dan CNT menambah ‘edge-site’ yang menjadi laluan kepada pengaliran elektron. Di sini, CNT dalam dilihat berperanan seperti jambatan kepada pergerakan elektron dari satu helaian grafen kepada helaian yang lain.

Di samping itu, penggabungan struktur dua dan satu dimensi tersebut membentuk struktur GCNT yang bersifat tiga dimensi sekaligus dapat mengatasi kelemahan CNT yang mudah bergumpal. CNT mudah bergumpal kerana daya tarikan antara atom menyebabkan kekonduksian dan kekuatan mekaniknya menurun. Apabila helaian grafena digabungkan dalam struktur, ia memisahkan CNT secara semula jadi dan mengurangkan penggumpalan menjadikan bahan itu lebih kukuh. Kesannya, GCNT menjadi lebih kuat dan stabil.

Seterusnya, GCNT adalah bersifat fleksibel di mana bahan mudah lentur atau diregang ini tidak akan merosakkan sifat konduktiviti yang ada pada GCNT dibandingkan dengan bahan konduktif lain yang mudah rosak sekiranya dibengkokkan. Dalam GCNT, elektron masih boleh bergerak dengan mudah walaupun walaupun bentuk fizikalnya berubah. Semua ciri-ciri tersebut sesuai digunakan untuk aplikasi tenaga dan elektronik.

Antara aplikasi yang boleh menggunakan GCNT ialah Superkapasitor fleksibel (SC) iaitu peranti baharu yang semakin popular untuk gajet ringan, mudah alih, dan boleh dipakai, dan kebanyakannya dibuat daripada bahan berasaskan karbon. Namun, untuk menjadikannya lebih tahan lama dan berkuasa, bahan baharu diperlukan. Dalam satu kajian [Rujukan 3], saintis telah membangunkan SC fleksibel yang lebih stabil dan berkapasitansi tinggi dengan menggunakan struktur MoS₂ dan WS₂ berbentuk menegak yang disalut pada kapas berasaskan GCNT. Proses salutan dilakukan menggunakan teknik RF sputtering. Hasil ujian menunjukkan kecekapan cas tinggi dan prestasi kekal stabil walaupun selepas 10,000 kitaran penggunaan, dengan kadar pengekalan melebihi 96%. Kajian ini membuktikan gabungan GCNT dengan bahan logam peralihan boleh menghasilkan SC fleksibel yang lebih cekap dan tahan lasak. Selain itu, GCNT boleh digunakan dalam bahan anod bateri untuk meningkatkan kapasiti penyimpanan tenaga serta jangka hayat bateri. Bateri juga akan mempunyai keupayaan untuk mengurangkan masa pengecasan. Dalam satu kajian oleh Ismail Lawal [Rujukan 4], penambahan GCNT ke dalam titanium dioksida (TiO₂) berjaya meningkatkan prestasi sel suria jenis dye-sensitized (DSSC) bifasial. Dengan hanya menambah 0.005% GCNT, kecekapan penukaran tenaga meningkat sebanyak 20%, daripada 3.76% kepada 4.53%. Apabila lapisan kedua ditambah, kecekapan melonjak kepada 5.90%. GCNT membantu menyerap lebih banyak cahaya, terutamanya dari bahagian belakang sel, serta memperbaiki pemindahan cas dan mengurangkan kerintangan dalaman. Kajian ini menunjukkan potensi GCNT dalam menjadikan sel suria lebih efisien dan stabil.

Seterusnya, sifat GCNT yang fleksibel dan boleh lentur tanpa kehilangan konduktivitinya boleh digunakan dalam peranti elektronik fleksibel. Peranti ini boleh digunakan dalam skrin boleh lipat, pakaian pintar dan peranti boleh pakai yang semakin mendapat perhatian dalam kalangan masyarakat. Di samping itu, GCNT boleh digunakan dalam sel suria dan sel bahan api yang dapat meningkatkan kecekapan penyerapan cahaya dan pergerakan elektron seterusnya menjadikan sistem ini lebih efisien dan mesra alam. Potensi ini sangat relevan dalam usaha global menuju penggunaan tenaga yang lestari.

Selain bidang tenaga dan elektronik, GCNT turut menunjukkan potensi besar dalam bidang bioperubatan. GCNT boleh digunakan dalam biosensor untuk mengesan penyakit dengan lebih pantas dan sensitif, terutamanya dalam pengesanan biomolekul seperti glukosa, kolesterol dan penanda biologi kanser. Tambahan pula, GCNT berupaya menghantar ubat secara terus ke sel sasaran dengan menggunakan penghantaran ubat tersasar (targeted drug delivery), sekali gus mengurangkan kesan sampingan terhadap sel sihat. Di samping itu, struktur GCNT yang fleksibel dan kukuh menjadikannya sesuai untuk aplikasi seperti tisu tiruan dan prostetik pintar yang lebih tahan lama serta responsif terhadap rangsangan luaran. Dengan ciri-ciri ini, GCNT berpotensi untuk merevolusikan pendekatan rawatan dalam bidang perubatan moden.

Apabila ditanya mengenai perbandingan antara GCNT dengan bahan lain, GCNT mempunyai banyak kelebihan berbanding bahan-bahan konvensional yang sering digunakan dalam industri. Sebagai contoh, GCNT menawarkan kekonduksian yang lebih tinggi serta struktur yang lebih fleksibel berbanding dengan silikon yang sering digunakan dalam cip elektronik. Hal ini menjadikan GCNT lebih sesuai untuk aplikasi elektronik masa hadapan seperti peranti boleh lipat. Jika dibandingkan dengan tembaga yang lazim digunakan sebagai konduktor elektrik, GCNT bukan sahaja lebih ringan, tetapi juga lebih tahan terhadap suhu tinggi dan pengoksidaan. Dalam konteks bahan mekanikal pula, ia mengatasi kekuatan logam seperti titanium dan keluli dengan berat yang jauh lebih rendah. Kelebihan ini membolehkan GCNT menggantikan pelbagai bahan sedia ada dalam industri, menjadikan sistem teknologi lebih cekap, ringan dan tahan lama. Justeru, perbandingan ini memperlihatkan bagaimana GCNT boleh mengubah landskap teknologi dan bahan industri masa depan.

Walaupun GCNT menawarkan pelbagai kelebihan dari segi prestasi dan aplikasi, masih terdapat beberapa cabaran yang perlu diatasi sebelum ia dapat digunakan secara meluas. Antara cabaran utama ialah kos penghasilan yang tinggi dan keterbatasan dalam skala pengeluaran. Tambahan pulan, kaedah sintesis yang kompleks dan memerlukan peralatan khusus menjadikan proses ini kurang efisien untuk pengeluaran besar-besaran. Sehubungan itu, penyelidikan sedang giat dijalankan untuk membangunkan kaedah sintesis yang lebih mudah, menjimatkan kos dan mesra alam agar GCNT dapat dihasilkan secara lebih praktikal dan kompetitif. Walau bagaimanapun, masa depan GCNT adalah sangat cerah. Potensinya dalam pelbagai bidang seperti tenaga, perubatan dan penapisan air menjadikan bahan ini antara yang paling dinanti-nantikan dalam revolusi teknologi nano. Dengan sokongan berterusan terhadap penyelidikan dan pembangunan (R&D), Malaysia juga berpeluang untuk muncul sebagai peneraju dalam penghasilan dan aplikasi bahan nano seperti GCNT di peringkat serantau mahupun global.

Secara keseluruhannya, GCNT merupakan bahan nano yang berpotensi besar untuk menjadi kunci kepada teknologi hijau dan pintar pada masa hadapan. Gabungan kelebihan grafen dan CNT dalam satu struktur menjadikan GCNT bukan sahaja luar biasa dari segi prestasi, malah mampu merintis pelbagai inovasi baharu dalam bidang tenaga, elektronik dan persekitaran. Bahan nano seperti ini dijangka akan mengubah cara hidup manusia, daripada cara kita menyimpan tenaga hinggalah kepada pembangunan peranti pintar yang lebih mesra pengguna dan alam sekitar. Justeru, pelaburan dalam penyelidikan dan pembangunan sains serta teknologi amat penting bagi memastikan kemajuan ini dapat dimanfaatkan secara menyeluruh, sekaligus membuka ruang kepada negara seperti Malaysia untuk menerajui bidang teknologi berasaskan bahan nano di peringkat global.

Rujukan:

• Reibold, M., Paufler, P., Levin, A. et al.Carbon nanotubes in an ancient Damascus sabre. Nature 444, 286 (2006). https://doi.org/10.1038/444286a
• https://en.wikipedia.org/wiki/Graphenated_carbon_nanotube
• Perişanoğlu, Ufuk and Kavaz Perişanoğlu, Esra and Kudaş, Züleyha and Ekinci, Duygu and Ismail, Ismayadi and Gür, Emre, Advanced flexible supercapacitors: vertical 2D MoS2 and WS2 nanowalls on graphenated carbon nanotube cotton, Nanoscale, 2025, Vol. 17(11), http://dx.doi.org/10.1039/D5NR00329F.
• Lawal, Ismail; Shafie, Suhaidi; Pandey, Shyam S.; Jafaar, Haslina; Mustafa, Mohd Amrallah; Ismail, Ismayadi; Kamarudin, Mazliana Ahmad; Mohd Noor, Ikhwan Syafiq; Liu, Xinzhi; AlSultan, Hussein A.; Babani, Suleiman; Abdulhamid, Ibrahim Bako; Norddin, Nurbahirah (2025-03-01). “Maximizing solar energy harvesting: Enhancing the efficiency of bifacial dye-sensitized solar cells with Graphenated carbon nanotubes composites in multi-layered stacked photoanode”. Optical Materials. 160: 116721. doi:1016/j.optmat.2025.116721