NanoDiamond: Cahaya Masa Depan

Nanodiamond (ND, berlian dalam skala nanometer) kini menjadi salah satu material karbon yang paling futuristik dalam dunia kedokteran dan teknologi. Partikel ini berukuran kurang dari 100 nanometer (nm), memiliki struktur inti karbon dengan hibridisasi sp³ (ikatan tetrahedral khas berlian), tetapi permukaannya sering tersusun dari karbon sp² (mirip grafit). Kombinasi unik ini membuat ND mempunyai sifat optik, mekanik, dan biomedis yang luar biasa. Menariknya, dalam beberapa dekade terakhir, ND telah bergeser dari sekadar bahan industri abrasif menuju “cahaya masa depan” di bidang nanomedicine (cabang ilmu kedokteran yang memanfaatkan nanomaterial untuk diagnosis dan terapi).

Struktur dan Karakter Optik

Inti ND yang padat memberikan indeks refraksi tinggi, sehingga mampu menyebarkan cahaya dengan intensitas kuat. Sifat ini membuat ND potensial dalam aplikasi tabir surya (sunscreen) dan lapisan polimer pelindung. Lebih dari itu, modifikasi struktur dengan dopant (atom asing yang ditambahkan dalam kisi kristal) menghasilkan kemampuan baru: boron meningkatkan konduktivitas listrik untuk elektronika tipis, nitrogen menciptakan pusat kekosongan nitrogen atau NV center (defek kristal yang memancarkan fluoresensi), sementara isotop tritium memberi jejak radioaktif untuk biodistribusi (pelacakan partikel dalam tubuh).
Fenomena NV center menjadi ikon tersendiri. Melalui iradiasi partikel berenergi tinggi dan proses annealing (pemanasan dalam vakum), terbentuklah defek yang dapat memancarkan cahaya merah terang hingga inframerah. Ini bukan sekadar fluoresensi biasa, melainkan sinyal yang bisa digunakan untuk bioimaging (pencitraan sel hidup), nanomagnetometri (pengukuran medan magnet pada skala nano), hingga quantum computing (komputasi kuantum berbasis spin elektron). Dengan kata lain, satu partikel ND dapat berfungsi sebagai sensor optik dan magnetik sekaligus.

Biokompatibilitas dan Toksisitas Rendah

Keunggulan utama ND dibandingkan nanomaterial karbon lain, seperti nanotube atau graphene oxide, adalah biokompatibilitasnya (kemampuan diterima oleh tubuh tanpa menimbulkan reaksi toksik berlebih). Studi in-vitro (eksperimen pada kultur sel) menunjukkan bahwa ND jauh lebih aman dibandingkan karbon nanotube terkarboksilasi yang bersifat sitotoksik (merusak sel). Uji in-vivo (eksperimen pada hewan hidup) memperlihatkan bahwa ND dapat terdistribusi ke hati, limpa, jantung, dan tulang melalui mekanisme ADME (adsorpsi, distribusi, metabolisme, ekskresi). Bahkan, dengan teknik tracer radionuklida (pelabelan radioisotop seperti Ga, In, Cu), pergerakan ND di tubuh dapat dipetakan secara presisi.
Riset terbaru menegaskan pentingnya stabilitas koloid ND dalam larutan fisiologis. Ukuran partikel, zeta potential (potensial listrik di lapisan ganda permukaan partikel), serta keberadaan aditif biologis seperti bovine serum albumin (BSA), dextran sulfate sodium (DSS), asam fulvat, dan natural organic matter (NOM) sangat memengaruhi perilaku agregasi. Misalnya, pada kondisi pH netral dengan salinitas tinggi, ND cenderung beragregasi membentuk cluster besar. Namun, penambahan protein seperti BSA dapat menciptakan corona protein (lapisan protein di sekitar partikel) yang meningkatkan stabilitas dan mencegah penggumpalan. Ini berarti, dalam konteks medis, ND bisa tetap stabil di plasma darah atau cairan biologis kompleks.

Metode Sintesis dan Purifikasi

Produksi nanodiamond (ND) dapat dilakukan dengan beberapa cara, dan setiap cara memiliki keunggulan dan keterbatasannya. Tabel perbandingan dapat dipahami dalam Tabel Perbandingan Metode Produksi Nanodiamonds, setelah uraian berikut ini.

Pertama, teknik detonation (ledakan). Metode ini menggunakan ledakan bahan peledak yang kaya karbon dalam ruang tertutup. Dari proses ini dihasilkan partikel ND berukuran sangat kecil, rata-rata 4–5 nanometer, dalam jumlah besar. Karena efisien dan murah, teknik ini banyak dipakai untuk produksi massal. Namun, produk yang dihasilkan sering bercampur dengan kotoran logam dan karbon amorf, sehingga perlu tahap pemurnian lebih lanjut.
Kedua, metode High Pressure High Temperature (HPHT). Pada teknik ini, grafit dipanaskan dan diberi tekanan sangat tinggi sehingga berubah menjadi struktur berlian. Hasilnya adalah kristal ND dengan kualitas tinggi. Bahkan, metode ini mampu menghasilkan nanodiamond fluoresen yang memiliki nitrogen vacancy centers (NV centers), sangat berguna untuk aplikasi bioimaging dan sensor kuantum.
Ketiga, Chemical Vapor Deposition (CVD). Cara ini umumnya digunakan untuk membuat lapisan tipis nanodiamond di atas permukaan substrat, seperti silikon atau kaca. Gas metana dipanaskan hingga terurai menjadi atom karbon, lalu atom-atom itu menempel membentuk film ND. Metode ini ideal untuk elektronika, misalnya pembuatan lapisan tipis pada perangkat semikonduktor dan film pelindung.
Keempat, teknik Laser Ablation. Pada metode ini, laser berintensitas tinggi ditembakkan ke permukaan karbon yang terendam cairan. Energi laser memecah karbon, lalu partikel ND terbentuk dan tersuspensi langsung dalam cairan. Hasilnya berupa suspensi koloid ND yang relatif murni, cocok untuk penelitian biomedis karena minim kontaminasi logam.

Dengan kata lain, detonation cocok untuk produksi massal, HPHT untuk kualitas kristal tinggi, CVD untuk film tipis elektronik, dan laser ablation untuk suspensi murni bagi riset medis. Setiap metode saling melengkapi sesuai kebutuhan aplikasinya.
Namun, setiap metode menghasilkan kontaminan tertentu. Ledakan misalnya sering meninggalkan logam berat. Karena itu, tahap purifikasi dengan oksidasi asam kuat (HNO₃, HClO₄) atau perlakuan plasma diperlukan.

Tabel Perbandingan Metode Produksi Nanodiamond