Tag: sensor

Categories
Nanoteknologi & Material Riset & Inovasi

Rekayasa Nanomaterial untuk Sensor Gas Berkinerja Tinggi

Tangerang Selatan, Humas BRIN. Ni Luh Wulan Septiani, periset Pusat Riset Material Maju – Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN), pada Selasa (12/7) mempresentasikan penelitianya berjudul “Rekayasa Nanomaterial untuk Sensor Gas Berkinerja Tinggi”. Topik penelitian tersebut dipresentasikan pada webinar ORNAMAT seri #6 tahun 2022 di lingkungan  Organisasi Riset Nano Teknologi dan Material BRIN

Ni Luh Wulan membagikan penelitian yang dilakukan dengan topik ‘Rekayasa Nanomaterial untuk Sensor Gas Berkinerja Tinggi’. Dalam penelitian ini, ia berfokus pada sensor gas sulfur dioksida (SO2). 

Berangkat dari bahaya sulfur dioksida (SO2), bahwa sulfur dioksida (SO2) merupakan gas yang sangat berbahaya selain karbon monoksida, nitrogen dioksida, dan particulate mater  khususnya PM 2.5. Gas yang tidak berwarna dan berbau tersebut dapat diemisikan oleh beberapa sektor dari industri, transportasi, dan aktifitas gunung berapi.

Gas SO2 ini jika terhirup oleh manusia dapat menyebabkan gangguan kesehatan terutama pada sistem pernafasan dan peredaran darah (sistem kardiovaskuler). “Jika kita menghirup gas SO2 dengan waktu yang sangat lama maka akan menyebabkan gangguan atau kerusakan sistem pernafasan dan sistem kardiovaskuler,” ucapnya.

“Untuk beberapa grup yang sangat berisiko, dari bahaya gas sulfur dioksida adalah orang tua, orang-orang dengan riwayat penyakit paru-paru, dan juga anak-anak,” ujar Wulan sapaan akrabnya.

Untuk memonitoring konsentrasi pada gas SO2 ini, Wulan dan tim mengembangkan sensor gas berbasis kemoresistif dengan memanfaatkan material aktif di mana beberapa propertis atau sifatnya akan berubah ketika berinteraksi dengan gas SO2 atau gas berbahaya lainnya.

“Sensor gas berbasis kemoresistif harus memiliki beberapa kriteria diantaranya respon tinggi, sensitivitas tinggi, selektivitas tinggi, waktu respon yang cepat, waktu pulih cepat, temperatur kerja rendah, stabil, dan waktu hidup panjang. Di sini penelitian yang kami lakukan adalah penelitian yang berbasis oksida logam,” kata periset Kelompok Riset Fungsional Dimensi Rendah.

Rekayasa Nanomaterial Sensor Gas

Untuk mendapatkan kriteria yang maksimal, Rekayasa Nanomaterial Sensor Gas diperlukan seperti rekayasa Morfologi, rekayasa permukaan dan rekayasa antar muka atau dengan pembuatan komposit. ”Dengan merekayasa morfologi kita dapat merekayasa porositas dan luas permukaannya sehingga situs-situs aktif  menjadi lebih banyak, sehingga dapat berinteraksi dengan baik dan maksimal dengan gas-gas target,” terang Wulan.

“Kemudian dengan Rekayasa permukaan, maka oksida logam atau material lainnya didekorasi dengan material lain seperti logam mulia atau logam lainnya untuk mendapatkan beberapa efek yang dapat meningkatkan sensitifitas respon dan juga mempercepat reaksi permukaan,” lanjutnya.

“Lalu ada rekayasa komposit yang mirip dengan rekayasa antarmuka, jadi Ketika kita membuat komposit itu kita tidak akan lepas dari adanya antarmuka atau singgungan antara fasa material yang satu dengan fasa material yang lainnya. Sinergi dari kedua fasa ini dibutuhkan untuk mencapai kinerja atau performa yang relatif tinggi ,” tambah lulusan S3 Teknik Fisika ITB.

Sensor Gas SO2  Berbasis ZnO Multilayer 

Penelitian petama yang telah dilakukan yaitu kami membuat struktur zink oxide Multilayer (ZnO Multilayer). Sebagai sensor gasnya sendiri, Dr.Wulan dan tim mencoba beberapa temperatur dari 200 hingga 4000C, dan respon ZnO multilayer terhadap SO2 ini sangat baik pada temperatur suhu 300 0C.

“Pada ZnO Sheet Layer yang pertama responnya relatif rendah yaitu di bawah 40%, kemudian ZnO Nanorods dengan dua lapisan atau double layer memiliki respon yaitu sekitar 70%. Jika ditingkatkan menjadi 3 lapisan maka respon akan mencapai 99,9% pada temperatur 3000C,” paparnya.

Pertama, Wulan dan tim melakukan studi mekanisme Sensor Gas SO2  Berbasis ZnO Multilayer yaitu di mana reaksi permukaan sangat bergantung pada kandungan oksigen di udara. 

“Ketika udara di sekitarnya yang belum terpapar gas pada temperatur tertentu, maka oksigen dalam udara akan ter-adsorpsi, kemudian akan terionisasi dengan mengambil elektron pada permukaan ZnO, sehingga menciptakan adanya lapisan depresi. Lapisan depresi meningkatkan resistansi dari ZnO,” jelasnya.

Sensor Gas SO2 Berbasis ZnO Multilayer lebih baik dibandingkan dengan single layer, karena ketika ada multilayer, maka pembauran (diffusion path) semakin panjang sehingga udara dan SO2 dapat berpenetrasi lebih dalam karena situs aktif yang tersedia melimpah.

Kemudia ada singgungan-singgungan antar muka yang menimbulkan potensial barir yang memiliki kontribusi dan berubah ketika terpapar oleh gas target. Dan untuk SO2 sendiri ketika dia berinteraksi dengan ion oksigen dia akan menjadi sulfur trioksida (SO3) dan melepas kembali elektronnya keperrmukaan ZnO sehingga lapisan depresinya akan mengecil dan resistansinya akan turun. 

Sensor Gas SO2  Berbasis ZnO Wool Ball-like

Kemudian yang kedua, Dr. Wulan dan tim merekayasa morfologi dari ZnO dengan bentuk menyerupai bola rajut atau wool ball. Dengan melakukan rekayasa dari ZnO dengan menggunakan metode hidrotermal dengan bantuan glycerol sebagai capping agent.

Ketika tanpa gliserol maka ZnO terbentuk seperti brokoli, dan ketika ada gliserol sebesar 4 mL maka ZnO mulai tumbuh plat-plat berukuran 2 µm yang bergabung untuk membentuk suatu bola.

Ketika gliserol ditambah sebesar 8 mL maka ZnO sudah terlihat cukup baik strukturnya, dan ketika ditambah lagi hingga 10 mL menghasilkan bola rajut yang sangat besar berukuran sekitar 5 mikrometer. 

Untuk mekanismenya sendiri, ada dua hal yang penting yaitu propanol dan gliserol. Di mana gliserol merupakan capping agent yang menghambat pertumbuhan dari ZnO ke arah-arah tertentu. Sehingga pada dua jam pertama sudah terlihat adanya pembentukan wool ball, dan ketika diperlama partikel-partikel kecil akan bergabung dengan partikel-partikel dua dimensi (2D) dan pada delapan jam dia sudah relatif sempurna pembentukankannya. 

“Untuk bentuk bolanya sendiri dipengaruhi oleh propanol dan juga tekanan dari segala arah pada proses hidrotermal dan untuk gliserolnya sendiri dia berkontribusi dalam pembentukan partikel 2D,” jelas Wulan.

Setelah pembentukan wool ball ini, dilakukan kalsinasi untuk menghilangkan zat-zat yang tidak dibutuhkan karena setelah proses hidrotermal produknya belum ZnO tetapi zinc glycerolate yaitu produk hasil reaksi antara zinc dengan glycerol. “Setelah dikalsinasi ternyata terlihat adanya permukaan yang kasar dan ketika diperbesar ternyata partikel-partikel 2D itu tersusun dari partikel-partikel kecil yaitu berbentuk segi enam (heksagonal) dengan ukuran sekitar 30 nanometer,” jelasnya.

“Ketika diuji sebagai sensor gas SO2, wool ball memiliki respon yang sangat tinggi pada temperatur 3500C, sedangkan pada temperatur suhu 3000C wool ball memiliki respon sebesar 70,” imbuhnya.

“Dan itu 35 kali lebih tinggi dibandingkan dengan ZnO Multilayer. Di mana pada temperatur 3000C itu sekitar 99% atau hampir dua kali lipatnya. Sedangkan berbasis ZnO Wool Ball-like  pada temperatur 3000C responnya adalah 70 kali lipat,” sambungnya.

Ketika diuji bagaimana selektifitasnya sebagai sensor gas SO2, Wulan dan tim mencoba dari beberapa gas antara lain metanol, toluen, heksan, xylena, CO, CO2, dan SO2. 

“ZnO memiliki kecendrungan untuk menyukai SO2 dibanding gas yang lain, tetapi di sini memang masih relatif tinggi responnya terhadap CO dan CO2. Hal ini menunjukkan perlu modifikasi lebih lanjut untuk meningkatkan selektifitas dari ZnO dengan sturktur ini,” ulasnya.

Modifikasi ZnO Wool ball like dengan MWCNT 

Wulan dan tim mencoba gabungkan ZnO dengan Multiwalled Carbon Nanotubes (MWCNT) dan ketika ditambah dengan MWCNT terjadi perubahan struktur. “Modifikasi ZnO Wool ball like dengan MWCNT merusak dari struktur bolanya sendiri dan di sini terlihat ada beberapa nanotube yang masuk dan penetrasi ke dalam bola,” kata Wulan.

Semakin banyak MWCNT yang ditambahkan ini, tentu akan semakin banyak juga MWCNT yang masuk ke dalam ZnO, dan terdapat beberapa partikel minirod ZnO yang tumbuh di atas permukaan MWCNT.

Ketika diuji sebagai sensor gas SO2 terlihat kurva respon terhadap temperatur, terjadi pergeseran temperatur optimal dari 350 ke 3000C, dan juga adanya peningkatan respon dari 70 ke 2210C.

“Ketika diuji selektifitasnya dia meningkat dengan sangat pesat ketika ada MWCNT. Kehadiran MWCNT ini tidak hanya menurunkan temperatur optimalnya, tetapi juga meningkatkan selektifitas dari ZnO itu sendiri,” ungkap Wulan.

Sensor Gas SO2  Berbasis ZnO Hollow Sphere

Kemudian yang ketiga, Wulan dan tim mengembangkan Sensor Gas SO2 Berbasis ZnO Hollow Sphere. Metode Hollow Sphere sama dengan metode Wool Ball-like yaitu menggunakan metode hidrotermal, tetapi tidak dengan bantuan gliserol, tetapi menggunakan antosianin sebagai soft template pembentukan ZnO.

Anthocyanin diperoleh dari proses ekstraksi beras hitam, lalu dilakukan variasi konsentrasi antosianin, sehingga terlihat ketika ditambahkan sebesar 0,0103 gram antosianin terbentuk bola dengan ruang kosong di dalamnya, dan ketika di tambah lebih jauh ternyata struktur yang dihasilkan mengalami kerusakan 

“Di sini yang kami dapatkan adalah sebesar 0,01 gram antosianin yang merupakan konsentrasi atau jumlah antosianin paling optimal untuk mendapatkan hollow sphere,” terangnya.

Modifikasi ZnO Hollow sphere dengan MWCNT

Sebetulnya untuk ZnO hollow sphere sendiri ketika diuji hasilnya mirip dengan metode Wool Ball-like, namun pada temperatur 3500C bahwa temperatur utamanya memiliki respon yang relatif lebih rendah yaitu sekitar 75.

MWCNT dapat merusak struktur dari ZnO Hollow sphere karena penetrasi ke dalam dan membuat ZnO nya itu terbelah. Semakin banyak MWCNT ditambahkan, semakin rusak strukturnya dan di beberapa partikel bermigrasi ke permukaan MWCNT, sehingga tumbuh di atas MWCNT

Dengan penambahan MWCNT juga ternyata dapat menggeser temperatur optimal dari 350 ke 3000C dan di sini sekitar 150 responnya pada temperatur 3000C.

Menurutnya Wulan, untuk selektifitanya sendiri untuk ZnO Hollow sphere memang relatif buruk. Metode ZnO Hollow sphere lebih respon terhadap metanol dibandingkan dengan SO2 itu sendiri, tetapi ketika adanya MWCNT respon meningkat secara signifikan.

“CNT dapat meningkatkan selektifitas juga menurunkan temperatur kerja dan ZnO,” terang Wulan.

Mekanisme Sensor ZnO Hollow sphere dengan MWCNT

MWCNT merupakan material sensor juga, tetapi reaksi antara MWCNT dengan gas pada umumnya reaksi fisisorpsi dan interaksi fisis itu sangat lemah, sehingga responnya jauh lebih rendah dibandingkan dengan ZnO. 

Jika digabungkan, MWCNT yang memiliki temperatur kerja yang relatif lebih rendah karena konduktifitasnya lebih tinggi, dapat menurunkan temperature kerja ZnO.

Selain itu MWCNT ketika digabungkan dengan ZnO maka akan terjadi pn junction pada pada antar mukanya dan potensial barir pada antarmuka tersebut berkontribusi dengan sangat baik atau untuk mendeteksi gas SO2.

“Ketika ada gas berinteraksi pada antarmuka MWCNT-ZnO, maka potensial barir ini akan berubah dan menyebabkan adanya perubahan sifat elektronik atau perubahan resistansi dari sistem ZnO dan MWCNT,” urai Wulan.

“Tetapi konsentrasi antara CNT dan ZnO sangat perlu dipertimbangkan karena saat lebih banyak CNT dbandingkan dengan ZnO, maka CNT menjadi mendominasi sebagai sensor gas sehingga responnya menjadi lebih rendah walau pun temperatur kerjanya menjadi lebih rendah juga,” lanjutnya.

“Sinergi antara CNT dan ZnO, sangat ingin dicapai untuk mendapatkan sensor gas dengan temperatur kerja rendah tetapi memiliki respon yang relatif tinggi,” pungkasnya. (hrd/ ed. adl)

Categories
Nanoteknologi & Material Riset & Inovasi

Aktivasi Cahaya pada Sensor Gas

Tangerang Selatan, Humas BRIN. Qomaruddin periset Pusat Riset Fotonik – Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN), pada Selasa (22/6) mempresentasikan risetnya berjudul “Photo-activated Gas Sensor”. Topik tersebut dipresentasikan pada webinar SEKOPI (Seminar Kolaborasi Optoelektronika) volume I.

Qomarudin menyampaikan tentang sensor gas secara umum, prinsip kerja, tren saat ini serta contoh proses pembuatan sensor berbasis ZnO NRs, karakterisasi, dan cara pengukuran hingga pembahasan mekanisme interaksi gas dengan material sensor.

Aktivasi cahaya pada sensor gas (photo-activated gas sensor) digunakan untuk menggantikan pemanas (heater) sebagai aktivasi permukaan material sensor. Oleh karena secara teknologi konvensional pada bidang sensor gas, cahaya tidak bisa digunakan untuk mengaktivasi sensor gas yang berbasis material semikonduktor oksida logam. Akan tetapi hal ini bisa dilakukan dengan beberapa strategi khusus, ytaitu salah satunya adalah memanfaatkan fenomena resonansi plasmon permukaan yang terlokalisasi pada partikel nano emas.

Menurut air quality index (AQI) di kota-kota besar di dunia, salah satunya Jakarta saat ini kondisi lingkungan atau pun udara yang ada di sekitar kurang sehat di outdoor, sehingga disarankan untuk menggunakan masker. 

“Dan ini bisa diakses secara real time. Tidak mungkin keluar angka-angka yang menunjukkan kondisi real time ini tanpa ada piranti atau device yang menunjukkan bahwa kualitas udara di sekitar itu sesuai dengan real-nya,” ujar Qomaruddin.

Qomaruddin menambahkan bahwa pasti ada device yang melaporkan atau memberi data bahwa kondisinya sedang bagus, kurang sehat, dan seterusnya.  Salah satu urgensinya sensor gas adalah untuk hal itu.

Lebih lanjut ia menjelaskan bahwa udara yang kita tinggali dan hidup di dalamnya ini, secara umum komposisinya yang paling besar adalah nitrogen (78,09%) dan oksigen (20,94%). Sementara bagian kecilnya terdiri dari beberapa zat kimiawi, gas-gas yang bahkan tidak bisa dilihat, tidak bisa dirasa keberadannya, tetapi menjadi hal yang bisa membahayakan bagi kehidupan. 

Salah satu gas yang membahayakan di sini, Qomaruddin menggarisbawahi adalah Nitrogen Dioksida (NO2) yang merupakan salah satu dari kelompok gas yang sangat berbahaya karena toxic serta reaktif jika kita terpapar dalam waktu tertentu (8 jam) dan jangan sampai lebih dari konsentrasi 0,5 ppm (long-term exposure limit) atau jangan sampai lebih dari 1 ppm dalam waktu yang singkat 15 menit (short-term exposure limit). 

“Untuk pengembangannya juga, kami akan mencari sensor gas yang konsumsi dayanya rendah, kemudian bisa bekerja pada suhu ruang. Jadi kalau dipakai di luar ruangan, di lapangan misalnya, bisa menggunakan jenis gas sensor seperti ini,” terang Qomaruddin.

“Kalau di dalam ruangan, itu dicari yang rendah konsumsi dayanya, serta suhu kerjanya. Kemudian yang bisa mengikuti tren teknologi terbaru di dunia saat ini,” tambahnya.

Beberapa tipe sensor gas

Tipe sensor gas digolongkan dalam beberapa tipe bedasarkan prinsip kerja dan material penyusun sensor. Dari sekian banyak jenis sensor gas, yang paling banyak dijumpai di pasaran adalah yang menggunakan prinsip kerja Conductometric Resistive Sensors. Umumnya sensor jenis ini menggunakan material polimer dan semikonduktor oksida logam. 

Secara konvensional, sensor gas menggunakan pemanas (heater) untuk aktivasi agar bisa bekerja optimal, sedangkan yang sedang berkembang saat ini menggunakan cahaya untuk aktivasi sensor untuk mereduksi konsumsi daya dan suhu kerja. Selain itu ada optical sensors, electrochemical sensors, thermometics (calorimeric) dan magnetic sensors. 

Beberapa sensor yang banyak juga ditemui di pasaran yaitu jenis Mechanical (Mass) Sensors, bahkan sensor dengan prinsip kerja jenis ini dipakai untuk menguji kondisi seseorang yang sedang terinfeksi positif COVID-19 atau negatif saat pandemi lalu, dimana salah satunya menggunakan Quartz Crystal Microbalance (QCM). Ada juga yang menggunakan Cantilever-based Devices untuk mendeteksi particulate meters (PM), serta yang menggunakan Surface Accoustic Wave (SAW) dengan memanfaatkan gelombang akustik untuk mendeteksi gas atau partikel polutan. Diantara beberapa jenis sensor gas yang sudah disebutkan tadi, masih ada jenis lain seperti spectroscopics dan lain sebagainya. 

Dalam risetnya, Qomaruddin dan tim mengembangkan Conductometric Resistive Sensors yang berbasis Metal Oxide Semiconductor (MOS) yang diaktivasi menggunakan cahaya pada spektrum cahaya tampak.

Sejarah dan Perkembangan Sensor Gas

Dalam perkembangan sensor gas yang dimulai tahun 1957 oleh Beilanski, dimana dia menggunakan material semikonduktor oksida logam untuk mengetahui adanya hubungan antara konduktivitas listrik pada MOS dengan aktivitas katalis dan dilanjutkan oleh Seiyama tahun 1962 yang memublikasikan adanya proses chemisorption di permukaan MOS pada suhu tinggi, juga dikenalkan untuk pertama kalinya jenis sensor gas komersial oleh Taguchi pada tahun 1972. Prinsip kerja ini masih dipakai hingga saat ini untuk mayoritas sensor gas berbasis MOS. Saura, mengenalkan pertama kali sensor gas yang diaktivasi menggunakan cahaya dengan material SnO2 pada tahun 1994. Pada tahun 2020, Qomaruddin telah berhasil mengembangkan sensor gas dengan material semikonduktor baru dengan bandgap sempit yaitu CaFe2O4 NPs yang diaktivasi menggunakan cahaya pada spektrum cahaya tampak untuk pertama kalinya dengan semikonduktor tipe-p (https://doi.org/10.3390/s20030850).

Hingga saat ini, perkembangan teknologi yang menggunakan cahaya untuk mengaktivasi sensor gas, masih terus berkembang dengan tujuan mengurangi suhu kerja sensor dan konsumsi daya yang digunakan.

“Sensor gas yang mempunyai suhu kerja sangat tinggi itu tidak ramah terhadap jenis-jenis gas yang mudah terbakar dan bisa meledak,” ungkap periset muda ini.

Oleh karenanya, sensor gas yang diaktivasi dengan cahaya pada spektrum cahaya tampak adalah salah satu jawaban untuk mengurangi konsumsi daya (bahkan hingga orde microwatt) dan bisa bekerja pada suhu kamar.

Prinsip kerja sensor gas yang diaktivasi menggukan cahaya

Prinsip kerja sensor gas yang menggunakan cahaya yakni pertama, pada kondisi suhu kamar, udara bebas (oksigen; O2(g)) yang mengalir pada permukaan material sensor akan mengikat elektron menjadi molekul oksigen ion (pre-chemisorbed oxygen ion; O2 (ads)-) dan terikat kuat di permukaan.Kedua, pada saat disinari cahaya dengan energi tertentu ada proses eksitasi elektron dari pita valensi ke pita konduksi. Hal ini akan membentuk pasangan elektron dan hole. Semakin tinggi intesitas penyinaran maka semakin banyak pasangan electron-hole yang terbentuk.

Kedua substansi ini akan berinteraksi dengan lingkungan sekitar. Misalkan elektron akan berinterkasi mengikat oksigen yang ada di udara membentuk oksigen ion pada permukaan sensor, molekul yang terbentuk disebut dengan photo-adsorbed oxygen ion; O2 ads-(hv). Pada saat yang sama hole itu akan berikteraksi dengan pre-chemisorbed oxygen ion dan membentuk molekul oksigen O2(g) serta kembali lagi ke udara bebas.

Proses seperti ini akan terjadi terus menerus hingga pada keadaan setimbang dan sensor siap bekerja mendeteksi gas.

Karakteristik Sensor

Sensor dikatakan mempunyai performa yang handal jika memiliki karakteristik tertentu, diantaranya adalah sensitivitas (tingkat kepekaan dalam mendeteksi gas), selektivitas (kemampuan mendeteksi satu jenis gas tertentu), waktu respon dan recovery (waktu yang dibutuhkan untuk mendeteksi dan membersihkan gas yang yg dideteksi) serta stabilitas. Untuk menghitung sensitivitas sensor (S) dari hasil eksperimen (data pengukuran), digunakan persamaan seperti yang tertulis dibawah ini; yaitu dengan mengukur 90% respon sinyal pada saat mendeteksi gas dibanding pada saat di udara. Hal ini juga digunakan dalam menentukan waktu respon dan recovery.

Contoh aplikasi pembuatan sensor gas berbasis MOS

Qomaruddin dan tim telah berhasil membuat sensor gas berbasis zinc oxide (ZnO) nanorods (NRs) yang didekorasi dengan nanopartikel emas (Au NPs) dan gas ujiyang digunakan adalah Nitrogen Dioxide (NO2). Proses aktivasinya menggunakan cahaya pada spektrum cahaya tampak dengan memanfaatkan fenomena resonansi permukaan yang terlokalisasi (localized surface plasmon resonance; LSPR) pada Au NPs.

Ada beberapa tahapan yang harus dilakukan untuk membuat sensor gas, mulai dari mempersiapkan electrical contact sebagai elektroda untuk mengukur besaran listrik hingga pengujian performa sensor.

“Kami membuat benihnya terlebih dahulu dari zinc oxide (ZnO) ini, dibuat dari zinc acetate dehydrate yang dilarutkan ke dalam ethylene glycol dengan konsentrasi 25 milimolar, lalu mendeposisi benih ini pada electrical contact dengan metode spin-coating, kemudian proses penumbuhannya menggunakan teknik hydrothermal, dan proses dekorasinya kita menggunakan electrophoresis” paparnya.

Kemudian setelah tahapan ini selesai semua, maka dikarakterisasi sifat materialnya. “Kita karakterisasi bagaimana morfologinya, komposisinya, apa benar sudah terbentuk zinc oxide,” urainya. 

Dan yang terakhir adalah pengujian performa sensor dengan melakukan pengukuran gas uji NO2 dengan konsentrasi yang berbeda-beda. Selama pengujian, sensor disinari dengan LED yang mempunyai panjang gelombang berbeda-beda pada spektrum cahaya tampak; yaitu biru (465 nm), hijau (520 nm), kuning (590 nm) dan merah (640 nm) serta menvariasi intensitas penyinaran. Untuk lebih detailnya bisa diakses di https://doi.org/10.3390/chemosensors10010028

Gambar 1. Setup pengukuran gas.

Hasil

Karakterisasi morfologi dan optis menunjukkan hasil yang bagus dan sesuai harapan. Karakterisasi ini menggunakan FE-SEM, AFM, EDS, PL dan UV-vis DRS. Sedangkan uji performa selain menggunakan NO2, juga menggunakan gas CO dan CO2 dengan konsentrasi tinggi sebagai gas uji lain untuk menentukan tingkat selektifitasnya. 

Pengujian performa sensor menjukkan hasil yang sangat baik sehingga material sensor ini menjanjikan peningkatan peforma sensor hingga lebih dari 40x sesnsitifitas dari sebelumnya. Juga bisa mendeteksi NO2 pada konsentrasi rendah hingga orde ppb (500 ppb) dalam eksperimen. Peningkatan sensitifita ini disebabkan jumal oksigen ion yg terbentuk lebih banyak dari sebelumnya karena adanya transfer electron dari Au-NPs memanfaatkan fenomena LSPR sehingga bisa mengikat gas NO2 lebih banyak.

Kesimpulan yang bisa diambil diantaranya: (1) bahwa sensor gas adalah divais yang sangat penting untuk mengukur kualitas udara baik di dalam dan di luar ruangan serta untuk mendeteksi adanya gas berbahaya; (2) penuruan suhu kerja serta konsumsi daya pada teknologi sensor gas masih menyisakan tantangan yang besar terutama untuk aktivasi cahaya pada spektrum cahaya tampak terutama untuk material berbasis MOS; (3) masih banyak cara (metode dan material) untuk meningkatkan performa sensor gas dengan aktivasi cahaya. (hrd/ ed. adl) 

Categories
Nanoteknologi & Material Riset & Inovasi

BRIN Kembangkan Riset Nanomaterial untuk Sensor dan Baterai

Tangerang Selatan – Humas BRIN. Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN) melalui Organisasi Riset Nanoteknologi dan Material (ORNM) mengembangkan riset nanomaterial untuk sensor dan baterai. Kedua topik riset ini dibahas melalui webinar ORNAMAT seri keenam secara daring dengan mengusung dua tema yakni riset tentang Nanomaterial untuk Sensor dan Aplikasi Komputasi Density-Functional Tight-Binding (DFTB) untuk bahan elektroda baterai, Selasa (12/07).

ORNM Ratno Nuryadi menyampaikan bahwa webinar kali ini ORNM menampilkan para periset muda untuk tampil. “Dari statistik sampai dengan pemetaan yang ke-6, sivitas ORNM akan mencapai 500 periset. Dilihat dari komposisi umurnya, yang berada dalam kisaran 21-30 tahun ada 16%, umur 31-40 tahun ada 40%, umur 41-50 tahun 21%, dan sisanya lebih dari 50 tahun. Ini pertanda yang baik sivitas ORNM banyak yang berusia muda. Semoga peran dan mobilitas sebagai periset di ORNM bisa maksimal dengan lingkugan seperti ini,” ujarnya.

Webinar ini menghadirkan dua narasumber, yakni Ni Luh Wulan Septiani dari Kelompok Riset Fungsional Dimensi Rendah Pusat Riset (PR) Material Maju dengan tema ‘Rekayasa Nanomaterial untuk Sensor Gas Berkinerja Tinggi’ dan Wahyu Dita Saputri dari Kelompok Riset Simulasi dan Desain Nanomaterial – PR Fisika Kuantum, dengan tema ‘Aplikasi Metode Komputasi Density-Functional Tight-Binding (DFTB) pada Optimasi Konfigurasi Antrakuinon sebagai Kandidat Bahan Elektroda Baterai Sodium’.

“Kedua tema ini saling beririsan karena sama-sama di bidang material. Kalau dilihat satu persatu, sensor di sini sangat luas aplikasinya, seperti sensor lingkungan, sensor untuk mendeteksi parameter fisik dan lain sebagainya. Sensor ini merupakan perangkat yang saat ini memiliki tidak hanya dari sisi dasar, tetapi miliki peluang pasar yang cukup besar. Di pasar global, sensor memiliki peningkatan setiap tahun. Tahun 2019 mencapai 530 juta dolar AS, dan perkiraan tahun 2026 1,3 miliar dolar AS, dengan kenaikan pertumbuhan tahunan gabungan 11% lebih,” terang Ratno.

Demikian pula Baterai yang memiliki potensi dari sisi aplikasi atau dilihat dari sisi sains dasar dan terapan. “Banyak diaplikasi dikehidupan sehari-hari sehingga pasar global baterai cukup tinggi. Di tahun 2020 mencapai 46 miliar dolar AS dengan pertumbuhan 6% lebih di tahun 2030, bisa mencapi 80 miliar dolar AS. Ini menandakan bahwa riset di bidang sensor dan baterai memiliki potensi yang sangat menarik dan strategis,” imbuhnya.

Ratno berhadap dengan adanya webinar ini para periset dan mitra bisa saling berbagi. “Ini akan melahirkan diskusi-diskusi  dan peluang kolaborasi yang bisa kita eksplorasi ke depannya,” tuturnya.

Pada kesempatan ini, pemateri pertama Ni Luh Wulan Septiani memaparkan akan bahaya sulfur dioksida (S02). “Gas ini merupakan unsur berbahaya yang bersumber dari industri, transportasi, dan aktivitas gunung berapi. Gas S02 ini jika terhirup manusia dapat menggangu saluran atau kerusakan pernafasan. Yang lebih rentan yang terkena S02 ini adalah orang tua dan orang-orang dengan riwayat penyakit paru-paru dan anak-anak. Untuk memonitoring konsentrasi gas S02 diperlukan alat sensor gas,” jelasnya.

“Sensor gas ini harus memiliki respon, sensitivitas, selektivitas yang tinggi, waktu respon yang cepat, waktu pulih cepat, temperatur kerja rendah, stabil, dan waktu hidup yang panjang. Untuk mendapatkan kriteria yang maksimal, diperlukan rekayasa berupa morfologi yang berhubungan dengan luas permukaan. Rekayasa antarmuka biasanya oksida logam atau material aslinya didekorasi dengan material lainnya, sehingga menghasilkan efek-efek yang dapat meningkatkan sensivitas, respon, mempercepat reaksi permukaan, dan komposit mirip dengan rekayasa antarmuka,” tambahnya.

Ni Luh Wulan juga menyebutkan bahwa dengan modifikasi gabungan dapat meningkatkan kinerja secara signifikan, dan modifikasi ZnO dengan Multi-Walled Carbon Nanotube (MWCNT) dapat meningkatkan respon selektivitas juga menurunkan temperatur kerja.

Dalam kesempatan yang sama, pemateri kedua Wahyu Dita Saputri mempresentasikan material katoda berbasis antrakuinon. “Mengapa kami memilih antrakuinon (AQ) karena memiliki nilai ekonomi, ramah lingkungan, kapasitasnya 257mAh/g, tetapi struktur molekulnya dapat dimodifikasi untuk mendapatkan kapasitas dan potensial redoks lebih tinggi,” ucapnya.

Antrakuinon juga memiliki kekurangan yaitu performa silkus yang rendah karena kelarutannya tinggi pada elektrolit. “Cara mengatasinya yaitu dengan AQ yang dapat terenkapsulasi pada permukaan karbon. AQ memiliki permukaan dan volume pori luas, dan pori terbentuk rapi, sehingga konduktivitas elektrik lebih baik, dan adanya interaksi ? – ? antara AQ dan karbon. Latar belakang pemakaian baterai AQ karena berlimpahnya pada kerak bumi sekitar 23.000 ppm, sementara litium 7 ppm,” paparnya.

Menurut Wahyu Dita, penelitian ini ada dua jenis, yaitu komputasi yang merupakan kerja sama antara BRIN dan University of Innsbruck Austria, serta eksperimen yang dikerjakan oleh Institute for Physical Chemistry University of Innsbruck. “Metode komputasi  sangat banyak sekali, ada beberapa jenis yang secara garis besar menggunakan metode medan gaya. Proses AQ ini lebih efektif yang dibuktikan dengan penelitian oligomer antrakuinon,” sebutnya.

“Potensi penelitian selanjutnya yakni bisa bekerja sama tentang AQ yang digantikan komposisinya dengan proses oligomerasi, sehingga dapat dibentuk kandidat bahan elektroda lebih lanjut,” pungkasnya. (esw/ ed. adl)

Sumber : https://www.brin.go.id/press-release/107945/brin-kembangkan-riset-nanomaterial-untuk-sensor-dan-baterai

Categories
Nanoteknologi & Material

Kolokium Fisika Kuantum Bahas Platform Photomultiplier Testing

Tangerang Selatan, Humas BRIN. Pusat Riset Fisika Kuantum (PRFK) Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN) kembali menyelenggarakan seri webinar dengan tema ‘Silicon Photomultiplier Testing Platform’ secara daring, pada Kamis (23/6). 

Pada kesempatan ini, narasumber yang memberikan presentasi adalah Suharyo Sumowidagdo (Peneliti Madya PRFK). Proyek yang ia lakukan adalah terlibat dalam sub detektor, tugasnya menguji komponen untuk sensor cahaya. 

Silicon Photomultiplier (SiPM) atau dikenal juga sebagai Multi-Pixel Photon Counter adalah sebuah sensor cahaya yang berbasis semi konduktor/teknologi silicon. “Sebenarnya aplikasinya banyak, sebagai contoh kamera digital adalah salah satu aplikasi dari foto sensor basis silikon. Aplikasinya seperti medical imaging (PET: Positron Emission Tomography, SPECT : Single Photon Emission Computed Tomography) dan remote sensing (LIDAR: Light Detection and Ranging),” ungkap Suharyo.

“Sebagai kita ketahui beberapa waktu ini di Amerika Latin, dengan menggunakan LIDAR kita bisa melihat dari pesawat terbang atau helikopter, ada reruntuhan arkeologi tersembunyi di balik hutan. Jika dari segi taktisnya, SiPM ukuran kecil dan memberikan resolusi besar, tidak memerlukan tegangan tinggi, dan dapat diproduksi massal,” jelas Suharyo.

Ditambahkan olehnya bahwa SiPM pada eksperimen partikel fisika dipakai untuk deteksi photon dalam intensitas rendah, serta eksperimen neutrino atau ada peluruhan yang langka.

“Saya terlibat pada eksperimen Mu2e, yakni mencari suatu proses sebuah muon (partikel elementer) berubah langsung menjadi elektron dalam peluruhannya, dan ini terdekteksi dalam detektor. Proses yang serupa sebenarnya muon tercipta di atmosfer bumi dan turun ke bumi seperti hujan, ada kira-kira 100/m2/dtk. Tetapi kita tidak dapat mendeteksi muon secara langsung, karena muon itu seperti elektron yang beratnya 200 kali lebih berat. Oleh karena lebih berat, interaksi dengan mata itu lemah dan tembus ke tubuh kita tidak berasa apa-apa,” urainya.

“Teknik pencitraan dengan muon ketika melintasi materi ada dua penyebabnya, yaitu medan magnet dan scattering di dalam materi karena bertumbukan dengan inti atom. Jika inti berat, kita bisa menduga inti atom yang menyebabkan hamburan. Jika ingin mengukur tumbukan itu, kita harus mengitung momentum sebelum dan sesudah  keluar dari obyek,” tutur Suharyo.

Dalam pemaparannya tersebut, Suharyo menyampaikan bahwa aplikasi SiMP memerlukan pengujian presisi untuk kinerja terbaik dalam aplikasi. Baik terkait medis, penginderaan jauh, atau aplikasi lainnya. “Pengalaman ini menunjukkan bagaimana ‘hal-hal kecil’ seperti pengujian SiMP terhubung ke ‘gambaran besar’ fisika partikel eksperimental. (esw/ ed: adl)

Categories
Nanoteknologi & Material

Periset BRIN Kenalkan Aplikasi Sensor Gas

Tangerang Selatan, Humas BRIN. Pusat Riset Fotonik – Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN) membuat webinar SEKOPI (Seminar Kolaborasi Optoelektronika) volume I pada Rabu (22/6). Kegiatan ini bertujuan untuk mempererat kerja sama riset bidang laser, optik, fotonik dan optolektronika, serta menyebarluarkan hasil riset kepada masyarakat ilmiah dan industri di Inonesia. 

Kegiatan seminar daring yang dilaksanakan oleh salah satu pusat riset di bawah Organisasi Riset Nanoteknologi dan Material ini, berlangsung secara berkala setiap bulan. Untuk bulan Juni, SEKOPI menghadirkan 1 periset BRIN dan 1 periset tenaga pengajar dari universitas negeri. 

Diungkapkan oleh Isnaeni, Kepala Pusat Riset Fotonik, saat ini BRIN telah menyelesaikan reorganisasinya dengan dibentuknya 85 Pusat Riset, salah satunya Pusat Riset Fotonik. “Dalam rangka untuk mempercepat dan meningkatkan kualitas riset di Pusat Riset Fotonik, maka dibuatlah sebuah wadah seminar yang diberi nama SEKOPI, singkatan dari Seminar Kolaborasi Optoelektronika,” ujarnya. 

“Sesuai dengan namanya, maka dalam seminar ini menghadirkan satu pembicara dari internal Pusat Riset Fotonik dan satu pembicara dari periset eksternal, baik dari universitas maupun dari pihak industri. Seminar ini akan dilakukan setiap bulan dengan menghadirkan pembicara-pembicara yang berbeda,” jelas Isnaeni.

Pemateri pertama, Dedi Irawan dari Universitas Riau, menyampaikan topik ‘Advanced Development of Optical Component in Communication and Sensor Application’. 

Sementara pemateri kedua yaitu Qomaruddin dari Pusat Riset Fotonik BRIN, menampilkan judul ‘Photo-activated Gas Sensor’. Qomarudin menyampaikan tentang sensor gas secara umum, prinsip kerja, tren saat ini serta contoh proses pembuatan sensor berbasis ZnO NRs, karakterisasi, dan cara pengukuran hingga pembahasan mekanisme interaksi gas dengan material sensor.

Qomarudin memaparkan bahwa atmosfer telah menjadi sistem dinamis yang secara terus-menerus menyerap berbagai jenis zat padat, cair, dan gas, baik yang bersifat alami maupun buatan. “Biosfer adalah bagian yang paling banyak menyerap berbagai jenis zat tersebut. Udara yang ada disekitar kita, mengandung berbagai jenis spesies kimia, beberapa di antaranya sangat penting bagi kehidupan. Sementara yang lainnya merupakan jenis yang berbahaya, baik dalam jumlah sedikit maupun banyak,” terangnya.

Lebih lanjut ia menjelaskan bahwa nitrogen (78.09%) dan oksigen (20.94%) merupakan penyusun udara terbesar. Sementara sisanya campuran dari berbagai jenis gas seperti karbon dioksida, karbon monoksida, argon, krypton, dinitrogen oksida dan sejumlah kecil gas organik dan inorganik, serta berbagai jenis gas lainnya dengan konsentrasi yang berbeda-beda, berdasarkan tempat dan waktunya.

Menurutnya, di antara berbagai jenis gas tersebut, ada beberapa gas yang berbahaya dan beracun bagi kehidupan terutama manusia. “Gas tersebut dilabeli dengan sebutan sebagai polutan. Pada era modern ini, banyak industri yang menggunakan gas dalam proses produksinya, bahkan menggunakan gas beracun dan mudah terbakar,” ungkap Qomarudin. 

“Hal ini tentunya tidak bisa dipungkiri, jika adanya kemungkinan kebocoran gas yang muncul ke udara bebas dan mengakibatkan potensi bahaya bagi industri itu sendiri, para pekerja atau karyawan dan lingkungan sekitar. Oleh karena itu, sensor gas menjadi sangat penting dan merupakan kunci utama dalam mendeteksi spesies yang tidak terlihat, bahkan tidak berasa atau berbau,” urainya.

Dalam risetnya, Qomarudin berfokus pada aktivasi cahaya pada sensor gas sehingga bisa bekerja pada suhu kamar dan rendah konsumsi daya. “Dengan sensor gas, kita dapat mencegah beberapa hal yang tidak diinginkan, serta bisa digunakan untuk memonitoring kondisi lingkungan sekitar,” pungkasnya. (mf/ ed: adl)

Categories
Nanoteknologi & Material Riset & Inovasi

Sistem Pemantauan Gerakan Tanah Terhubung Jaringan Sensor Nirkabel

Tangerang Selatan, Humas BRIN. Suryadi, periset Pusat Riset Fotonik – Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN), pada Selasa (17/5) memaparkan penelitiannya yang berjudul ‘Sistem Monitoring Gerakan Tanah Terhubung Jaringan Sensor Nirkabel’. Topik riset tersebut dipresentasikan pada webinar ornamat seri #2 tahun 2022 di lingkungan Organisasi Riset Nano Teknologi dan Material BRIN.

Indonesia diberkahi banyak kelebihan terkait dengan lokasi geografis yang berada di daerah tropis. Namun demikian, dibalik anugrah yang cukup besar tersebut juga tersimpan potensi bencana yang cukup besar. 

Dilansir oleh Badan Nasional Penanggulangan Bencana (BNPB), berdasarkan Peta Indeks Rawan Bencana Indonesia, tahun 1815 – 2015, bahwa hampir seluruh wilayah Indonesia mengalami ancaman bencana yang cukup tinggi. 

“Terkait dengan bencana gerakan tanah atau tanah longsor kalau mengacu pada data dari BNPB, dari tahun 2010-2015, dari sisi kejadian itu mencapai 20,2%, dibandingkan dengan total bencana kejadian yang terjadi. Kemudian dari sisi korban jiwa, yaitu mencapai 25,4%,” ujar Suryadi.

Gerakan tanah merupakan salah satu jenis bencana yang sangat tinggi bahayanya. Dengan frekuensi kejadian yang cukup tinggi, serta dapat menyebabkan terjadinya korban jiwa maupun kerusakan infrastruktur. 

Akibat dari gerakan tanah, maka sangat diperlukan suatu upaya untuk bisa mereduksi risiko yang mungkin terjadi. Oleh karena itu, perlu adanya pengembangan sistem pemantauan yang harapannya bisa menjadi dasar pengambilan keputusan untuk menekan risiko bencana.

Selain bencana akibat gerakan tanah itu sendiri, bahkan ketika bencana itu sudah terjadi, masih terdapat adanya risiko yaitu yang disebabkan oleh longsor susulan.  Longsor susulan biasanya kurang menjadi konsen karena mungkin tanggap darurat berfokus pada pencarian korban, sehingga kewaspadaannya menjadi lebih rendah. 

“Dari kasus gerakan tanah serta risiko longsor susulan, maka perlu adanya suatu sistem mobile yang dapat digunakan untuk pemantauan jangka pendek, misalkan ketika operasi tanggap darurat,” ucapnya.

Dari kasus sangat berbahayanya gerakan tanah,  Suryadi dan tim melakukan riset yang terkait dengan sistem monitor gerakan tanah antara lain merancang dan membangun sistem monitor gerakan tanah. Sistem monitor dikembangkan dengan beberapa jenis sensor pendukung antara lain sensor ekstensometer, tiltmeter, maupun modul analog.

Kemudian mengembangkan perangkat gateway yang menjadi koordinator dalam implementasi jaringan sensor nirkabel. Gateway dilengkapi suatu aplikasi monitor berbasis web untuk memudahkan proses monitor.

Periset fotonik ini juga mengembangkan perangkat mobile yang dapat digunakan dalam proses tanggap darurat. Perangkat mobile tersebut karakteristiknya mudah dipindahkan, serta mendukung operasi monitor jangka pendek.

Selanjutnya juga melakukan beberapa karakterisasi maupun pengujian dari sensor maupun sistem yang dikembangkan. 

Teori Gerakan Tanah

Gerakan tanah adalah suatu gerakan menuruni lereng baik berupa tanah, batuan, maupun material organik yang diakibatkan oleh pengaruh gaya gravitasi. Untuk jenis-jenis gerakan tanah itu sendiri ada berbagai macam jenis antara lain: translasi (flow), rotasi (slump), pergerakan blok (slide), runtuhan batu (fall), rayapan tanah (creep), dan robohan (topple).

Dari sisi penyebabnya, gerakan tanah dikategorikan oleh faktor alami seperti kenaikan air pori karena curah hujan tinggi, maupun kegiatan manusia seperti modifikasi lereng, penebangan pohon, dan sebagainya.

Jaringan Sensor Nirkabel

Jaringan sensor nirkabel (wireless sensor network) adalah suatu jaringan sensor yang biasanya secara spasial terpisah namun saling terhubung secara nirkabel.

“Jaringan sensor nirkabel biasanya bekerja untuk memonitor parameter-paramenter fisis lingkungan, yang kemudian data hasil monitor itu dapat dikirim ke suatu lokasi terpusat, hingga dapat dimonitor dari lokasi yang berbeda,” kata Suryadi.

Di sisi topologi sebenarnya jenis jaringan sensor nirkabel yang sudah dikembangkan sangat banyak, namun yang cukup terkenal antara lain star, mesh, dan tree.

Berikutnya, salah satu protokol pada jaringan sensor nirkabel yang banyak digunakan adalah Zigbee. 

Zigbee adalah suatu protokol yang mengacu pada standar IEEE 802.15.4. Protokol ini dapat beroperasi pada beberapa pita tidak berlisensi antara lain 2,4 GHz, 900 MHz, dan 868 MHz. 

Dalam jaringan ini, ada tiga peran yang dapat diperankan oleh suatu simpul sensor, yaitu:

  1. Koordinator yang berfungsi untuk membentuk jaringan dan mengatur rute lalu lintas data. 
  2. Router yang mempunyai kemampuan untuk meneruskan (routing) informasi dari suatu perangkat ke perangkat yang lain.
  3. End Device yang hanya dapat berkomunikasi dengan perangkat induk mereka, baik koordinator maupun router.

Dari sisi power, peran koordinator maupun router harus selalu menyala (on), karena berfungsi untuk meneruskan informasi. Sedangkan end device pada waktu tertentu mampu sleep/non-aktif untuk menghemat energi. 

Sistem Monitor Gerakan Tanah

Sistem monitor gerakan tanah yang Suryadi bersama tim kembangkan terdiri dari beberapa jenis sensor (modul sensor, tiltmeter, ekstensometer, dan gateway + alarm), yang biasanya di dalam satu lokasi yang secara spasial itu terpisah. “Masing-masing sensor ini mempunyai suatu fungsi untuk mengukur parameter yang berkaitan dengan fenomena gerakan tanah,” jelas Suryadi.

Ia memaparkan bahwa beberapa sensor (modul sensor, tiltmeter, dan ekstensometer), terhubung secara nirkabel dengan suatu perangkat gateway. Dari perangkat gateway ini kemudian data diteruskan melalui jaringan internet ke server yang fungsinya untuk menyimpan data. 

Biasanya server ini juga dilengkapi dengan aplikasi monitor berbasis web, sehingga memudahkan proses monitor maupun analisa data. Kemudian data yang ada di server bisa diakses dari lokasi mana pun, selama tersedia jaringan internet.

Beberapa komponen sistem monitor gerakan tanah antara lain SSN ekstensometer, SSN tiltmeter, SSN analog, gateway, server, dan clients.

Suryadi dan tim melihat perangkat yang disebut sebagai Simpul Sensor Nirkabel (SSN) atau wireless node ini, sebagai suatu perangkat sensor yang mengukur suatu parameter tertentu. Lalu yang dikembangkan oleh Suryadi dan tim menjadi tiga jenis SSN.

Pertama adalah SSN Analog, suatu perangkat yang memberikan suatu antar muka (interface) untuk sensor-sensor komersial seperti kadar air tanah, tekanan air pori, yang biasanya belum bisa Suryadi dan tim bangun sendiri. Kemudian yang kedua adalah SSN Ekstensometer yang berfungsi untuk mengukur pergeseran pada permukaan tanah. Berikutnya adalah SSN Tiltmeter yang berfungsi untuk  mengukur kemiringan akibat gerakan tanah.

Untuk sisi perangkat lunaknya, secara umum hanya menunggu permintaan dari gateway. Jika ada permintaan, perangkat lunak SSN akan merespon dengan nilai sensor saat itu. Sementara desain PCB Simpul Sensor Nirkabel (SSN), didesain dalam suatu desain PCB universal untuk ketiga modul yaitu SSN analog, SSN ekstensometer, dan SSN tiltmeter.

Hasil pengembangan SSN Analog prinsip utamanya adalah analog to digital converter (ADC). Sensor komersial yang mempunyai output dalam bentuk tegangan maupun arus, bisa dihubungkan ke modul untuk diintegrasikan ke dalam sistem monitor gerakan tanah.

Dari hasil pengembangan untuk SSN Ekstensometer, prinsip kerjanya adalah menggunakan wire potensiometer. Ketika terjadi pergeseran, kawat akan memutar potensiometer yang kemudian perubahan resistansi yang terjadi diubah menjadi perubahan tegangan yang dibaca oleh modul sensor, dan ditransmisikan ke gateway. 

Untuk tiltmeter, sensing unit-nya menggunakan akselerometer untuk mengukur kemiringan dalam kondisi relatif diam, yaitu ketika gaya yang dominan bekerja hanya percepatan gravitasi. Sehingga perubahan  kemiringan terbaca melalui perubahan percepatan yang dialami sensor.

Perangkat keras gateway disusun oleh suatu single board computer (SBC) sebagai komponen utama, kemudian dilengkapi dengan mikrokontroler (MCU) untuk  pencatat curah hujan serta pemicu alarm, baik sirine dan lampu rotari. 

Pada perangkat gateway ada dua transceiver, yaitu transceiver nirkabel untuk komunikasi dengan sensor, sedangkan modem router untuk komunikasi dengan server.

Pada diagram alir perangkat lunak gateway terdiri dari SBC dan MCU, di mana pada SBC setiap interval tertentu akan megirimkan perintah untuk membaca data dari sensor, kemudian data yang terkumpul dikirim ke server. Sementara pada MCU berfungsi untuk mengukur curah hujan, maupun menyalakan alarm dari server.

Untuk hasil pengembangan gateway ada mainboard dari sistem gateway, kemudian diinstalasi di dalam boks panel. Berikutnya, untuk power supply menggunakan panel surya dan baterai.  

Aplikasi Monitor Berbasis Web

Untuk melengkapi sistem monitor, tim Suryadi mengembangkan aplikasi monitor berbasis web. Aplikasi ini dilengkapi dengan halaman masuk (log in) untuk bisa mengakses data-data yang ada di dalam aplikasi tersebut. 

Selain itu, dilengkapi dengan halaman dashboard, ketika pengguna sudah berhasil log in, maka akan tampil halaman yang  menampilkan lokasi dari stasiun monitor yang sedang di monitor. Selain itu dilengkapi status dari masing-masing stasiun apakah sedang aktif atau tidak.

Selanjutnya terdapat halaman data secara real time dalam bentuk grafik maupun dalam bentuk tabel. Selain data yang sifatnya real time, juga dapat mengakses data-data yang sifatnya historis.

“Pada aplikasi halaman data, kita bisa mengatur data dalam rentang yaitu mulai dari kapan sampai kapan, kemudian juga bisa kita tampilkan dalam bentuk bagan maupun tabel,” tuturnya.

Aplikasi monitor juga bisa melakukan konfigurasi terhadap masing-masing sensor yang tergabung dalam sistem monitor. Kemudian juga dilengkapi dengan halaman untuk mengaktifkan alarm pada stasiun yang diinginkan. “Jadi kita bisa memicu alarm dari jarak jauh,” kata Suryadi.

Hasil Pengembangan Mobile Gateway

“Sistem monitor yang kami lakukan sebelumnya bersifat stasioner, jadi biasanya dipasang pada suatu lokasi yang diketahui rawan gerakan tanah/tanah longsor. Kemudian monitor dilakukan dengan harapan bisa mendeteksi lebih dini ketika terjadi tanda-tanda adanya gerakan tanah.  Sedangkan sistem yang ditampilkan berikut ini adalah mobile gateway,” ungkap Suryadi.

Suryadi menambahkan, sebenarnya mobile gateway berfungsi sebagai suatu perangkat yang bisa dengan mudah dipindahkan untuk melakukan monitor gerakan tanah. 

Lebih lanjut, jika dikomparasikan dengan sistem stasioner, mobile gateway diwujudkan dalam suatu perangkat yang kompak dalam bentuk koper, serta dilengkapi dengan komputer mini dan monitor. 

“Dengan menggunakan komputer mini dan monitor, keduanya fleksibel bisa menggunakan baterai, listrik, maupun panel surya, sehingga bisa digunakan untuk memonitor misalkan dalam kasus tanggap darurat. Nanti ketika sudah selesai bisa dibawa pulang kembali,” terangnya.

Ada beberapa karakterisasi sensor yang tim Suryadi lakukan, antara lain karakterisasi SSN analog dengan melihat respon ADC-nya cukup linear. Kemudian untuk karakterisasi SSN Ekstensometer juga memperoleh hubungan yang linear antara displacement terhadap hasil pembacaan ADC nya. Dari hasil pengukuran didapatkan resolusi pengukurannya kurang lebih 0.018 mm.

Tim Suryadi juga mengkarakterisasi SSN Tiltmeter dengan suatu inclinometer acuan, yang targetnya adalah memperoleh resolusi sebesar 0,10 dalam rangka -30 s.d. 300. Suryadi menjelaskan dari hasil perhitungan bahwa sistem yang dikembangkan itu memenuhi untuk karakteristik yang diinginkan, serta responnya juga cukup linier.

Pengujian Komunikasi Nirkabel

Tim Suryadi juga melakukan pengujian komunikasi nirkabel melalui pengujian dengan bantuan dari software uji yaitu XCTU (Xbee Configuration and Test Utility). Dengan software tersebut tim Suryadi  melakukan dua pengujian. 

Yang pertama yaitu range test untuk mengukur/menguji jangkauan serta kualitas antara dua transceiver, dengan melakukan variasi jaraknya antara 20, 57, 168 yang merupakan kondisi line-of-sight, dan 170 meter merupakan non line-of-sight. 

Untuk jarak 170 meter ini, dilakukan dalam kondisi ada penghalang serta variasi paketnya adalah 50 dan 84 byte.

Yang kedua melakukan throughput test untuk mengukur rasio transfer antara dua transceiver di jaringan yang sama. Di sini dilakukan beberapa variasi jarak juga antara lain 20, 40, 57, 168, dan 170 meter. Di mana 170 meter juga dalam kondisi ada penghalang. Serta variasi paketnya adalah 100, 150, 160, dan 170 byte.

Dalam pengujian komunikasi nirkabel secara umum untuk kondisi line-of-sight atau tanpa penghalang itu hasilnya cukup bagus, hampir tidak ada paket yang loss, namun ketika ada penghalang antara dua transceiver maka komunikasinya menjadi tidak reliable.

Sementara untuk pengaruh jarak sesuai dengan yang diuji pada pengujian range test. Jadi ketika ada penghalang, maka hasilnya menjadi tidak bagus, dan terlihat untuk variasi ukuran payload yang 150-160 byte itu ada peningkatan. Namun untuk yang diujicobakan sebesar 170 byte terjadi penurunan. 

“Dari hasil throughput test menjadi sebagai acuan praktis, kalau bisa ukuran payload-nya tidak lebih dari 160 byte,” sebut Suryadi.

Implementasi di Lapangan

Ada beberapa contoh implementasi atau pengujian di lapangan seperti di Pangalengan. Tim Suryadi melakukan monitor di daerah Pangalengan dengan memasang empat node sensor dan satu gateway.

Berikutnya, juga melakukan uji coba di Cipularang KM 100 yang pada tahun 2013 pernah terjadi longsor di lokasi tersebut.

Tim Suryadi juga melakukan uji coba di Jembatan Cisomang yang waktu itu mengalami pergeseran, dengan memasang node sensor dan gateway untuk memonitor struktur jembatan.

Selain itu, tim juga melakukan pemasangan di daerah Banjarnegara – Jawa Tengah. Di sini pemasangan dilakukan pada lokasi perkampungan yang pernah mengalami longsor pada tahun 2016. (hrd/ ed: adl)

Categories
Nanoteknologi & Material Riset & Inovasi

Forum Ilmiah Sosialisasikan Riset Nanoteknologi dan Material BRIN

Serpong – Humas BRIN. Organisasi Riset Nanoteknologi dan Material (OR NM) Badan Riset dan Inovasi Nasional (BRIN) mengadakan Seri Webinar Presentasi Ilmiah Riset dan Inovasi ORNAMAT yang kedua, secara daring pada Selasa (17/5). Acara ini dilaksanakan dalam rangka penguatan iklim riset dan inovasi, akumulasi pengetahuan, serta sarana membuka peluang kolaborasi dengan mitra internal dan eksternal BRIN.

Riset bidang nanoteknologi dan material melingkupi riset dari hulu hingga hilir. Di hulu mulai dari teknologi eksplorasi pertambangan, termasuk penambangan ramah lingkungan.  Dilanjutkan teknologi metalurgi ekstraksi primer dan sekunder, hingga desain dan rekayasa paduan logam. Kemudian pengembangan material maju, kimia maju, teknologi polimer, hingga potensi aplikasi material, dengan berbagai studi terkait teori, komputasi, dan berbagai aplikasi untuk industri.

Kepala OR NM BRIN Ratno Nuryadi dalam sambutannya menyampaikan tujuan webinar ini untuk menampilkan topik riset dan inovasi di OR NM. “Topik dalam webinar ini merupakan pergiliran dari periset yang ada di kelompok riset OR NM. Sehingga di tahun 2022 semuanya bisa mendapat giliran,” ujarnya.

Webinar kali ini menampilkan dua narasumber OR NM BRIN, yaitu Hanggara Sudrajat dari Pusat Riset Fisika Kuantum dan Suryadi dari Pusat Riset Fotonik. “Selain narasumber periset BRIN, baik juga kalau sesekali kita bisa sisipkan, untuk mengundang juga pembicara dari luar BRIN,” imbuhnya.

Dirinya menegaskan bahwa kelompok riset BRIN merupakan tulang punggung dalam mengembangkan riset-riset BRIN saat ini. “Kelompok riset ini turut andil memberikan inovasi dan insolusi terhadap masalah-masalah yang ada di industri, masyarakat, bangsa, dan negara saat ini. Dari presentasi ini diharapkan aktivitas riset dapat dikenal oleh khalayak dan mengembangkan sosiokultural seorang ASN,” ucap Ratno.

Dalam presentasinya, Hanggara menjelaskan tentang rekayasa semikonduktor untuk mengkonversi energi dari cahaya ke kimia atau disebut fotosintesis artifisial. “Ada tiga target reaksi yang dituju, yaitu oksidasi air untuk memproduksi hidrogen, reduksi karbondioksida untuk memproduksi bahan bakar khususnya C1-2, serta photobiorefenery untuk memperoleh valorisasi biomassa,” jelasnya.

Lebih lanjut Hanggara memaparkan bahwa risetnya membutuhkan metode komputasi untuk mendapatkan kandidat material fotokatalis, yang berpotensi untuk bisa diaplikasikan pada skala industri. “Yang paling perlu diperhatikan adalah aman dan murah, apabila ingin meningkatkan ke skala yang lebih besar,” ujarnya.

Pada kesempatan yang sama, Suryadi menyampaikan topik riset terkait kebencanaan yaitu tanah longsor. “Saat ini Indonesia merupakan negara yang rawan bencana dikarenakan letak geografis yang berada di daerah tropis. Berdasarkan pengamatan Badan Nasional Penanggulangan Bencana (BNPB), hampir seluruh wilayah Indonesia ancaman bencana cukup tinggi terutama gempa dan tanah longsor,” terangnya.

Berdasarkan data tersebut, Suryadi beserta tim mengadakan riset tentang sistem monitoring gerakan tanah terhubung jaringan sensor nirkabel. “Kami merancang dan membangun sistem monitoring gerakan tanah, merancang dan membangun perangkat mobile gateway, serta karakteristik dan pengujian sistem yang dikembangkan,” tuturnya. (esw/ ed. adl)

Sumber : https://www.brin.go.id/news/104181/forum-ilmiah-sosialisasikan-riset-nanoteknologi-dan-material-brin