Nanolubang, Nanorod: dari Seni Mikroskopik ke Teknologi Hijau Masa Depan, dari Masalah Harian ke Dunia Nano
7 Oktober 2025
Embedded Files
Ditulis oleh:
Dr. Aini Ayunni Mohd Raub
Penyelidik Pascadoktoral
Institut Kejuruteraan Mikro dan Nanoelektronik (IMEN),
Universiti Kebangsaan Malaysia
Dr. Rhonira Latif
Felo penyelidik/Pensyarah kanan
Institut Kejuruteraan Mikro dan Nanoelektronik (IMEN),
Universiti Kebangsaan Malaysia
Bayangkan kita berjalan di tepi sungai yang airnya berwarna kebiruan atau kehijauan akibat sisa pewarna dari kilang tekstil. Air yang sepatutnya jernih dan mengalir menyegarkan, kini bertukar menjadi tercemar, menjejaskan ekosistem dan sumber kehidupan manusia. Dalam masa yang sama, di tangan kita ada telefon pintar yang semakin nipis, fleksibel, malah ada yang boleh dilipat seperti buku, tetapi masih mempunyai prestasi hebat.
Soalan yang menarik untuk difikirkan ialah: apakah kaitan antara air tercemar di sungai dengan telefon pintar di tangan kita? Jawapannya terletak dalam dunia yang terlalu kecil untuk mata kasar manusia, iaitu dunia nano. Satu nanometer hanyalah 1/100,000 ketebalan sehelai rambut manusia. Pada skala inilah saintis bermain dengan struktur halus, menghasilkan bahan baharu dengan sifat yang luar biasa. Salah satu bahan yang mencuri perhatian dalam beberapa tahun kebelakangan ini ialah nanorod zink oksida (ZnO NRs), batang halus berskala nano yang tersusun rapi seperti hutan buluh mini.
Rajah 1: (a) Struktur nanorod zink oksida di bawah mikroskop elektron, kelihatan seperti batang halus bersaiz nano [1]; (b) perbandingan dengan buluh sebenar yang tumbuh tegak di alam semula jadi.
Rajah 2: Mekanisme degradasi fotokatalitik zink oksida: cahaya UV menghasilkan pasangan elektron–lohong yang seterusnya membentuk radikal aktif (•O₂⁻ dan •OH). Radikal ini memecahkan molekul pencemar organik kompleks kepada bahan ringkas yang selamat seperti CO₂ dan H₂O [2].
Apa Istimewanya Nanorod Zink Oksida?
Zink oksida bukanlah bahan asing. Kita boleh menemuinya dalam krim pelindung matahari, salap kulit, sensor gas, biosensor, dan juga dalam beberapa peranti elektronik. Namun, apabila bahan ini dibentuk dalam skala nano, khususnya dalam bentuk nanorod. Ia mempunyai sifat yang jauh lebih menarik. Antaranya:
Kualiti Optik yang Hebat: Nanorod menyerap cahaya dengan lebih berkesan. Ini menjadikannya calon unggul untuk digunakan dalam sel suria dan peranti optoelektronik.
Aktiviti Fotokatalitik Tinggi: Nanorod ZnO mampu mempercepat tindak balas kimia. Sebagai contoh, ia boleh memecahkan molekul pencemar berbahaya dalam air hanya dengan bantuan cahaya UV.
Kekuatan Mekanikal & Fleksibiliti: Struktur halus ini juga sesuai untuk digunakan dalam elektronik fleksibel dan peranti boleh pakai (wearable devices) yang menjadi trend masa kini.
Bagaimanakah ia Berfungsi?
Nanorod zink oksida berfungsi melalui mekanisme semikonduktor, iaitu apabila cahaya UV mengenai permukaannya, elektron dalam jalur valens meloncat ke jalur konduksi lalu menghasilkan pasangan elektron–lohong. Pasangan ini memainkan peranan penting: elektron yang terbebas boleh berinteraksi dengan oksigen terlarut untuk membentuk radikal superoksida (•O₂⁻), manakala lohong pula bertindak balas dengan molekul air menghasilkan radikal hidroksil (•OH). Kedua-dua radikal ini sangat reaktif dan berupaya memecahkan molekul organik kompleks, contohnya sisa pewarna industri, kepada molekul kecil yang tidak berbahaya seperti CO₂ dan H₂O.
Pada masa yang sama, bentuk nanorod yang tersusun tegak dengan nisbah aspek tinggi memberi kelebihan dari segi penyerapan cahaya, aliran elektron yang lebih lancar, serta kawasan permukaan yang luas untuk tindak balas. Struktur ini juga mempunyai kekuatan mekanikal yang tinggi tetapi tetap boleh dilentur bersama substrat fleksibel tanpa menjejaskan prestasi elektriknya, menjadikan nanorod ZnO sangat sesuai bukan sahaja untuk aplikasi fotokatalitik dan rawatan air, tetapi juga dalam sel suria, peranti optoelektronik dan elektronik boleh pakai masa depan. Namun begitu, walaupun nanorod ZnO menjanjikan banyak kelebihan, terdapat satu cabaran utama iaitu mendapatkan cara untuk menumbuhkannya dengan teratur, seragam, dan berkualiti kristal tinggi.
Colloidal Lithography; Seni Cop Batik di Dunia Nano
Inilah titik perubahan yang menarik. Untuk menyelesaikan masalah pertumbuhan rawak nanorod, para saintis menggunakan teknik yang dinamakan colloidal lithography.
Jika diterjemahkan secara mudah, proses ini ibarat seni “cop batik”, tetapi dilakukan pada skala nano. Bayangkan kita menggunakan stencil atau acuan berlubang untuk menghasilkan corak batik pada kain. Begitulah juga konsep colloidal lithography, cuma di peringkat nano.
Rajah 3: Proses colloidal lithography ibarat “cap batik nano; bebola mikrosfera membentuk lubang kecil sebagai acuan bagi pertumbuhan nanorod yang tersusun.
Rajah 4: Ilustrasi proses “mencetak nano” untuk menghasilkan nanorod ZnO tersusun menegak: bermula dengan substrat berlapis benih dan bebola polistirena (a), disalut topeng aluminium (b), bebola dikeluarkan (c), diikuti proses etsa (d, e), sebelum nanorod tumbuh secara teratur di dalam lubang yang terbentuk (f) [3].
Dalam teknik ini (rujuk Rajah 4), bebola mikrosfera polistirena diletakkan di atas permukaan polimer. Bebola ini akan tersusun rapat, umpama guli kecil yang memenuhi permukaan. Setelah diproses, bebola ini meninggalkan lubang nano di antara satu sama lain. Lubang inilah yang bertindak sebagai “peta jalan” atau “petak sawah” untuk menanam nanorod ZnO dengan lebih tersusun.
Hasilnya, nanorod ZnO tidak lagi tumbuh secara rawak seperti hutan belukar, sebaliknya ia berdiri tegak dan seragam seperti sawah padi yang ditanam rapi. Selain menggunakan teknik colloidal lithography, para penyelidik turut meneroka kaedah lain untuk memastikan nanorod tumbuh dengan lebih seragam. Sebagai contoh, gabungan teknik hidrotermal dan electron beam lithography (EBL) bersama lapisan templat polimer, PMMA telah berjaya menghasilkan struktur susunan nanorod zink oksida (ZnO NRAs) yang tersusun secara berkala di atas lapisan benih polikristal.
Templat PMMA yang mempunyai bukaan halus bertindak seperti acuan fizikal. Ia bukan sahaja mengawal tempat nanorod boleh tumbuh, malah menentukan saiz, kepadatan, dan tahap keseragaman nanorod. Apabila saiz bukaan sepadan dengan saiz butir (grain) pada lapisan benih, hanya satu nanorod terbentuk bagi setiap bukaan, menjadikan struktur yang terhasil lebih teratur.
Rajah 5: Susunan sawah padi diibaratkan seperti nanorod ZnO yang tumbuh teratur, berbanding “semak” nanorod rawak [4].
Rajah 6: Imej FESEM pertumbuhan nanorod ZnO selepas dua jam. Batang halus nano ini kelihatan lebih panjang dan padat, ditunjukkan dari sisi (a) dan dari sudut condong 45° (b), menyerupai hutan buluh kecil di dunia nano [3].
Pemahaman tentang cara nanorod tumbuh di atas lapisan benih polikristal ini membuka peluang besar untuk pengeluaran berskala besar peranti berasaskan ZnO. Ia memberi isyarat bahawa walaupun asasnya kecil, hanya lubang nano pada templat, namun ia mampu menentukan kualiti keseluruhan peranti masa depan seperti sensor, fotodetektor, dan sel suria.
Dari Sungai ke Skrin Telefon
Apa maknanya semua ini untuk masyarakat?
Air bersih: nanorod ZnO boleh dijadikan bahan penapis berasaskan cahaya untuk membersihkan air tercemar. Ia memberi harapan besar kepada usaha mencapai Matlamat Pembangunan Lestari (SDG) 6: Air Bersih & Sanitasi.
Elektronik masa depan: Nanorod yang fleksibel membuka ruang untuk telefon pintar ultra-nipis, sensor kesihatan boleh pakai, malah elektronik yang boleh digulung seperti kertas. Ini menyokong SDG 9: Industri, Inovasi & Infrastruktur.
Tenaga hijau: Dalam bidang tenaga, nanorod ZnO mampu meningkatkan prestasi sel suria, menyumbang kepada penggunaan tenaga boleh diperbaharui secara lebih meluas.
Dengan kata lain, inovasi kecil di makmal boleh membawa perubahan besar dalam kehidupan harian kita.
Rajah7: Ilustrasi ringkas proses “mencetak nano” menggunakan electron beam lithography (EBL): templat PMMA berperanan seperti acuan yang membimbing pertumbuhan nanorod ZnO agar tersusun rapi dan seragam, ibarat sawah padi nano di atas lapisan benih [5].
Rajah 8: Imej FESEM menunjukkan saiz bukaan nano pada templat PMMA mempengaruhi pertumbuhan nanorod ZnO. Tanpa templat, nanorod tumbuh tidak sekata (a), manakala dengan bukaan 100 nm (b), 200 nm (c), dan 300 nm (d), pertumbuhan menjadi lebih terkawal [5].
Inspirasi dari Dunia Nano
Perkara paling menarik ialah segala inovasi ini bermula daripada sesuatu yang kelihatan remeh: lubang nano. Lubang yang terlalu kecil untuk dilihat dengan mata kasar inilah yang menjadi pintu masuk kepada pelbagai teknologi masa depan. Dunia nano mengajar kita satu pengajaran penting: tiada perkara kecil yang tidak bermakna. Kadangkala, perubahan besar bermula daripada struktur sekecil ini. Sama seperti hidup kita, satu tindakan kecil boleh memberi impak yang luar biasa pada masa depan.
Penutup
Perjalanan membangunkan nanorod ZnO melalui colloidal lithography bukan sekadar eksperimen saintifik. Ia adalah sebuah usaha untuk menjawab cabaran global daripada isu pencemaran air, keperluan tenaga mampan, sehinggalah kepada revolusi elektronik masa depan. Mungkin suatu hari nanti, apabila kita minum air bersih yang dirawat dengan teknologi nano, atau menggunakan telefon pintar yang lebih pintar dan fleksibel, kita akan menyedari bahawa semua itu bermula daripada seni halus lubang nano dan batang halus ZnO yang berdiri megah di atasnya. Dan pada ketika itu, dunia akan berterima kasih kepada sesuatu yang tidak dapat dilihat oleh mata kasar tetapi mampu mengubah masa depan manusia.
Rujukan
Raub, A.A.M., et al., Statistical Optimization of Zinc Oxide Nanorod Synthesis for Photocatalytic Degradation of Methylene Blue (Pengoptimuman Statistik Sintesis Nanorod Zink Oksida untuk Degradasi Fotopemangkinan Metilena Biru). Sains Malaysiana, 2022. 51(6): p. 1933-1944.
Yaqoob, A.A., et al., Advances and Challenges in Developing Efficient Graphene Oxide-Based ZnO Photocatalysts for Dye Photo-Oxidation. Nanomaterials, 2020. 10: p. 932.
Chalangar, E., et al., Synthesis of Vertically Aligned ZnO Nanorods Using Sol-gel Seeding and Colloidal Lithography Patterning. Nanoscale Research Letters, 2021. 16(1): p. 46.
Ali, N.S., Kurangnya pengeluaran padi cetus kebimbangan keselamatan makanan di Sarawak. MalaysiaNow, 2022.
Srisuai, N., et al., Growth of highly uniform size-distribution ZnO NR arrays on sputtered ZnO thin film via hydrothermal with PMMA template assisted. Materials Science in Semiconductor Processing, 2020. 105: p. 104736.
Page updated
Google Sites
Report abuse