Tim menggunakan mikroskop elektron pemindai, memindai matras dengan berkas elektron terfokus dan membuat gambar berdasarkan pola elektron yang dibelokkan atau terlempar. Setiap helai individu terlalu sempit untuk dapat ditangkap dengan jelas oleh kamera cahaya tampak atau mikroskop apa pun. (Kredit: Beatrice Britton / Adam Clancy)
LONDON — Apa yang Anda dapatkan jika menggabungkan pembuat pasta dengan laboratorium sains? Rupanya, spageti tertipis di dunia. Meskipun kreasi ultra-tipis ini mungkin terdengar seperti pencapaian kuliner, potensi sebenarnya tidak terletak di dapur, yaitu dalam bidang penyembuhan luka hingga regenerasi jaringan.
Terbuat dari tepung putih biasa, serat yang sangat tipis ini berdiameter hanya 372 nanometer — sekitar 200 kali lebih tipis dari rambut manusia. Singkatnya, untaian ini bahkan lebih sempit daripada beberapa panjang gelombang cahaya tampak. Penciptaannya, dijelaskan dalam jurnal Kemajuan Skala Nanomewakili kemajuan signifikan dalam pengembangan bahan nano berkelanjutan.
Meskipun helaian “nanopasta” yang sangat tipis ini mungkin terdengar seperti eksperimen dalam memasak mini, namun helaian “nanopasta” ini tidak diciptakan untuk dikonsumsi. Sebaliknya, mereka menunjukkan pendekatan yang lebih ramah lingkungan dalam menciptakan nanofiber, yang memiliki banyak aplikasi dalam bidang kedokteran dan industri. Metode tradisional untuk membuat nanofiber pati memerlukan ekstraksi dan pemurnian pati dari sel tumbuhan, sebuah proses yang menghabiskan banyak energi dan air. Pendekatan baru ini, yang menggunakan tepung biasa secara langsung, menawarkan alternatif yang lebih sederhana dan berpotensi lebih berkelanjutan.
“Untuk membuat spageti, campuran air dan tepung dimasukkan ke dalam lubang logam. Dalam penelitian kami, kami melakukan hal yang sama kecuali kami memasukkan campuran tepung kami dengan muatan listrik. Ini benar-benar spageti tetapi jauh lebih kecil,” jelas rekan penulis Dr. Adam Clancy dari UCL Chemistry, dalam sebuah pernyataan.
Untuk mengetahui betapa tipisnya serat-serat ini, pertimbangkan pasta tertipis berikutnya yang dikenal, yang disebut su filindeu (“benang Tuhan”), buatan tangan di Nuoro, Sardinia, lebarnya sekitar 400 mikron — sekitar 1.000 kali lebih tebal dari serat nano baru ini. Bahan yang dihasilkan membentuk lapisan berukuran sekitar dua sentimeter, terlihat dengan mata telanjang, meskipun untaian individu sangat tipis sehingga hanya dapat diukur menggunakan mikroskop elektron.
Tim peneliti, yang berbasis di Inggris, mengembangkan prosesnya menggunakan tepung putih biasa yang dibeli dari supermarket Marks & Spencer. Tepung biasa yang mengandung campuran tepat karbohidrat (72,8%), protein (9,9%), serat (2,6%), lemak (0,7%), dan air (14,7%), terbukti menjadi bahan awal yang efektif untuk membuat seragam. serat nano.
Prosesnya menggunakan teknik yang disebut electrospinning, yang menggunakan gaya listrik untuk membuat serat yang sangat tipis. Para peneliti menemukan bahwa kunci keberhasilan terletak pada persiapan larutan tepung secara hati-hati. Mereka mencampurkan tepung dengan asam format, bukan air, karena asam format memecah struktur spiral kompleks (heliks) yang membentuk molekul pati. Penguraian ini mirip dengan apa yang terjadi saat pasta dimasak, membuatnya mudah dicerna, namun dalam kasus ini, memungkinkan bahan tersebut membentuk serat yang sangat tipis.
Membuat serat nano dari tepung terbukti lebih menantang dibandingkan menggunakan pati murni karena adanya protein dan selulosa, yang mempengaruhi viskositas larutan. Para peneliti menemukan bahwa menyiapkan larutan tepung 17% dalam asam format, dihangatkan secara hati-hati selama beberapa jam sebelum didinginkan, memberikan hasil terbaik. Larutan tersebut kemudian ditarik melalui jarum tipis dengan medan listrik, dan asam format menguap saat serat bergerak melalui udara menuju pelat pengumpul.
“Pati merupakan bahan yang menjanjikan untuk digunakan karena melimpah dan terbarukan – merupakan sumber biomassa terbesar kedua di bumi, setelah selulosa – dan bersifat biodegradable, artinya dapat terurai di dalam tubuh,” Dr. Clancy mencatat. Kemampuan biodegradasi ini menjadikan nanofiber ini sangat menarik untuk aplikasi medis.
Profesor Gareth Williams dari Fakultas Farmasi UCL menjelaskan bahwa serat nano tersebut menjanjikan untuk pembalut luka karena porositasnya, memungkinkan air dan kelembapan keluar sekaligus mencegah masuknya bakteri. Mereka mungkin juga berfungsi sebagai perancah untuk regenerasi jaringan, meniru matriks ekstraseluler alami yang mendukung pertumbuhan sel.
Meskipun untaian spageti berskala nano ini tidak akan muncul di piring makan dalam waktu dekat – Profesor Williams dengan bercanda mencatat bahwa “spaghetti akan terlalu matang dalam waktu kurang dari satu detik, sebelum Anda dapat mengeluarkannya dari wajan” – ini mewakili sebuah langkah maju yang penting dalam ilmu material berkelanjutan. Kemampuan untuk membuat bahan nano fungsional dari tepung biasa membuka kemungkinan baru untuk aplikasi medis dan industri yang ramah lingkungan.
Ringkasan Makalah
Metodologi
Tim peneliti menggunakan proses electrospinning, yang beroperasi seperti pembuatan pasta versi teknologi tinggi. Mereka membuat larutan menggunakan tepung putih biasa dan asam format, dengan hati-hati mengontrol suhu dan waktu pencampuran. Solusinya kemudian dimasukkan ke dalam semprit yang dilengkapi dengan jarum tipis.
Ketika muatan listrik diterapkan, ia menarik larutan melalui jarum, menciptakan serat yang sangat tipis yang terkumpul pada pelat logam yang dilapisi kertas roti. Prosesnya memerlukan kontrol yang tepat terhadap berbagai parameter, antara lain jarak antara jarum dan kolektor (8 cm), laju aliran (0,25 mL per jam), dan tegangan (19-21 kV) untuk hasil yang optimal.
Hasil Utama
Tim berhasil menciptakan serat nano seragam berukuran diameter 372 nanometer, membentuk lapisan berukuran sekitar 2 cm. Serat-serat ini awalnya menunjukkan ketahanan terhadap air namun tetap dapat terurai secara hayati. Para peneliti menemukan bahwa kandungan protein dalam tepung sebenarnya meningkatkan pembentukan serat dibandingkan dengan pati murni, meskipun hal ini membuat prosesnya lebih menantang karena peningkatan viskositas. Studi tersebut menunjukkan bahwa bahan alami yang kompleks seperti tepung dapat berhasil diubah menjadi serat berskala nano tanpa memerlukan pemurnian ekstensif.
Keterbatasan Studi
Beberapa tantangan praktis muncul selama penelitian. Prosesnya memerlukan kontrol suhu dan waktu pencampuran yang cermat untuk mencapai konsistensi yang tepat. Kehadiran protein dan selulosa dalam tepung membuat larutan lebih kental dan sulit untuk dikerjakan dibandingkan pati murni. Film yang dihasilkan menunjukkan beberapa keterbatasan struktural, termasuk crazing (retak) saat dikeringkan. Selain itu, meskipun terlihat seperti tikar, masing-masing serat sangat tipis sehingga memerlukan mikroskop elektron khusus untuk pengukuran dan analisis.
Diskusi & Kesimpulan
Penelitian ini menunjukkan pendekatan yang berpotensi lebih berkelanjutan untuk menciptakan serat nano, melewati proses pemurnian pati yang menghabiskan banyak energi. Keberhasilan penggunaan tepung biasa menunjukkan kemungkinan produksi bahan medis dan industri yang lebih ramah lingkungan. Meskipun tidak dimaksudkan untuk dikonsumsi, serat ultra-tipis ini dapat digunakan dalam pembalut luka, perancah rekayasa jaringan, dan penggunaan biomedis lainnya karena porositas dan kemampuan biodegradasinya.
Pendanaan & Pengungkapan
Penelitian tersebut dilakukan di University College London (UCL), dengan bahan bersumber dari Sigma-Aldrich dan Marks & Spencer. Pekerjaan awal dilakukan oleh Beatrice Britton sebagai bagian dari gelar masternya di bidang kimia di UCL, menunjukkan sifat pendidikan dan akademis dari proyek penelitian ini.
