Terobosan Material dan Energi Masa Depan

PNNL, laboratorium berbasis di Washington, berhasil membangun sistem pemurnian dan konversi gas silana dan germana dengan kemurnian tinggi. Kedua gas ini penting untuk riset di ilmu informasi kuantum dan produksi perangkat semikonduktor lanjut. Langkah ini merupakan pencapaian strategis untuk memperkuat rantai pasokan material kritis di AS. PNNL mengembangkan teknologi pengayaan isotop menggunakan Thermal Diffusion Isotope Separation (TDIS), yang sebelumnya diaplikasikan untuk argon dan klorin. Sistem ini dilengkapi kontrol otomatis yang memonitor ratusan variabel proses demi memastikan kondisi aman dan kemurnian tetap terjaga. IRP mendukung riset lanjutan untuk menghasilkan gas prekursor kompatibel dengan perangkat teknologi dan efisiensi produksi lebih baik. Kemajuan ini berdampak positif pada penguatan infrastruktur material khusus yang tahan banting demi teknologi maju seperti kuantum, semikonduktor generasi berikutnya, dan teknologi presisi lainnya. IRP berkomitmen mengembangkan lebih jauh kemurnian, spesifikasi produk serta menjalin kemitraan industri. Inisiatif ini diprediksi mempercepat inovasi teknologi strategis dan memperkuat posisi Amerika Serikat dalam kompetisi teknologi global.

Ilmuwan Tiongkok berhasil menciptakan perangkat pemancar pasangan foton dengan kemurnian dan efisiensi tertinggi di dunia, menandai kemajuan besar dalam optik kuantum. Inovasi ini fokus pada perangkat yang mampu menghasilkan dua foton bersamaan secara stabil, mengatasi kesulitan yang ada pada quantum dots tradisional. Penelitian dilakukan oleh tim dari Beijing Academy of Quantum Information Sciences dan Chinese Academy of Sciences dengan kolaborasi internasional. Perangkat baru dapat menghasilkan 98.3% foton dalam pasangan dan efisiensi 29.9% saat diberikan eksitasi pulsa yang singkat dan intens. Pencapaian ini dapat meningkatkan resolusi pencitraan medis, memperkuat keamanan enkripsi kuantum, dan membuka jalan untuk sensor generasi masa depan yang lebih akurat. Penemuan ini juga berpotensi mempercepat perlombaan teknologi kuantum global dan aplikasi praktis yang luas.

Peneliti dari Texas A&M University dan DEVCOM Army Research Laboratory menciptakan busa hibrida yang dapat menyerap energi hingga 10 kali lipat dibandingkan busa konvensional. Material ini mengombinasikan busa dengan kolom plastik elastis yang dicetak 3D di dalamnya untuk memperkuat struktur internal dan distribusi tekanan. Teknologi ini dinamakan In-Foam Additive Manufacturing (IFAM). Teknologi IFAM memungkinkan pencetakan jaringan strut langsung di dalam busa open-cell menggunakan printer 3D, sehingga kedua komponen bisa bekerja bersama dalam menyerap energi benturan. Penyesuaian desain strut seperti diameter dan sudut membuat materi ini dapat dituning sesuai kebutuhan kekuatan dan elastisitas tertentu. Hasilnya adalah composite ringan dengan daya tahan benturan yang tinggi. Material ini dapat digunakan untuk berbagai aplikasi mulai dari perlindungan helm militer dan kendaraan hingga produk konsumen seperti kasur dan bantalan dengan zona kenyamanan yang bisa diatur. Selain itu, material juga berpotensi untuk peredaman suara dan getaran, membuka peluang untuk inovasi lebih lanjut di bidang proteksi dan kenyamanan.

Permintaan energi yang tinggi dari sistem AI modern seperti ChatGPT telah memicu pencarian teknologi yang lebih efisien energi. ChatGPT sendiri mampu menghabiskan hingga 40 juta kWh listrik per hari, menggambarkan tantangan besar untuk keberlanjutan penggunaan AI di masa depan. Penelitian di Technische Universität Braunschweig menggabungkan microLED berbasis gallium nitride (GaN) dengan sirkuit silikon untuk menciptakan komputer neuromorfik optik. Dengan mengubah sinyal listrik menjadi cahaya, sistem ini memungkinkan konektivitas yang sangat tinggi dan efisiensi energi yang jauh lebih baik daripada metode tradisional. Jika berhasil komersialisasi dan pengembangan lebih lanjut, teknologi ini bisa merevolusi pusat data dan perangkat AI dengan mengurangi konsumsi daya hingga 100 kali lipat. Hal ini penting untuk mendukung pertumbuhan AI yang pesat tanpa membebani sumber daya listrik global secara berlebihan.

Komputasi termodinamika adalah pendekatan baru yang memanfaatkan kebisingan termal sebagai sumber energi untuk menjalankan perhitungan AI. Penelitian di Lawrence Berkeley National Laboratory telah mengembangkan kerangka desain dan pelatihan untuk memungkinkan komputasi ini berjalan efisien pada suhu ruang. Teknologi ini dapat meniru jaringan neural dengan kompleksitas nonlinier sambil menggunakan energi jauh lebih sedikit daripada komputer tradisional. Salah satu inovasi utama adalah mengatasi masalah kecepatan dengan mengizinkan sistem melakukan perhitungan tanpa harus mencapai keadaan kesetimbangan. Pelatihan algoritma menggunakan simulasi digital pada superkomputer memungkinkan optimalisasi parameter jaringan neural stokastik. Metode ini memanfaatkan komponen nonlinear yang memungkinkan komputasi tetap akurat dan cepat, meskipun dijalankan dalam kondisi noise termal yang acak. Pengembangan ini berpotensi menurunkan konsumsi energi secara signifikan pada aplikasi AI, seperti pencarian Google yang saat ini sangat boros energi. Tim Berkeley Lab kini sedang mencari mitra eksperimental untuk menerjemahkan desain digital ini menjadi perangkat keras fisik. Kesuksesan komputasi termodinamika dapat membawa masa depan AI yang lebih ramah lingkungan dan hemat biaya operasional.

Para peneliti dari Helmholtz Institute Mainz dan New York University menemukan metode non-destruktif untuk mendiagnosis kesehatan baterai menggunakan Zero-to-Ultra-Low-Field Nuclear Magnetic Resonance (ZULF NMR). Metode ini memungkinkan pengamatan kondisi internal baterai melalui casing metal tanpa merusak baterai. Teknik ZULF NMR mampu mendeteksi dan mengukur komponen kimia penting di dalam baterai seperti elektrolit dan garam litium. Ini diuji pada baterai komersial dan cell pouch yang digunakan pada kendaraan listrik, membuktikan konsep teknologi ini dapat diaplikasikan secara nyata. Aplikasi masa depan meliputi pemantauan operando untuk mendeteksi kerusakan atau penurunan performa baterai secara real-time sehingga meningkatkan keselamatan dan keandalan pada ponsel, kendaraan listrik, serta sistem penyimpanan energi besar.

Para peneliti di Tiongkok sedang menyelesaikan instalasi akselerator partikel superkonduktor untuk sistem Accelerator-driven subcritical systems (ADS) yang akan menjadi reaktor pembakar limbah nuklir tingkat megawatt pertama di dunia pada tahun 2027. Sistem ini dirancang untuk membakar uranium jauh lebih efisien serta mengubah limbah radioaktif jangka panjang menjadi isotop yang lebih aman dalam waktu singkat. Teknologi ADS menggunakan akselerator linear yang menembakkan proton dengan kecepatan tinggi ke tujuan logam cair, menghasilkan neutron yang kemudian mengubah uranium-238 menjadi plutonium-239 sebagai bahan bakar. Sistem ini juga secara fisik melarang reaktor mengalami kecelakaan meltdown karena tidak mampu mempertahankan reaksi tanpa akselerator eksternal. Dengan penyelesaian instalasi pada akhir 2026 dan operasi penuh pada 2027, teknologi ini berpotensi mengubah energi nuklir menjadi sumber energi hijau, aman, dan stabil untuk kebutuhan manusia selama 1.000 tahun ke depan. Upaya serupa juga tengah dilakukan di Amerika Serikat untuk mendukung transisi global menuju siklus bahan bakar nuklir tertutup yang mengurangi limbah radioaktif berbahaya.

Para peneliti di Penn State berhasil mengembangkan termometer mikroskopis berbasis material 2D yang dapat mengukur suhu langsung di chip prosesor. Sensor ini lebih kecil dari antena semut dan sangat cepat dalam mendeteksi lonjakan suhu hanya dalam 100 nanodetik. Sensor menggunakan bahan bimetalik thiophosphates bernama material 2D yang sangat tipis hanya beberapa atom. Desain ini juga sangat hemat daya, 80 kali lebih efisien dibandingkan dengan sensor silikon konvensional dan mampu dipasang dalam jumlah besar di satu chip. Implementasi sensor ini dapat mengatasi masalah pemanasan internal pada chip yang mengganggu kinerja dan kestabilan komputer. Lebih jauh, teknologi ini membuka potensi pengembangan sensor kompak lainnya yang dapat memantau berbagai data kimia, optik, dan fisika di masa depan.

Peneliti dari Penn State menggunakan pemodelan numerik untuk menunjukkan bahwa petir seperti di awan badai besar dapat direplikasi dalam blok plastik sebesar kartu remi. Mereka menerapkan model yang sama seperti untuk penelitian petir di skala besar namun dalam skala miniatur. Simulasi menunjukkan bahwa bahan padat seperti akrilik yang 1.000 kali lebih padat dari udara mampu mengakumulasi tegangan listrik hingga 100 juta volt dalam jarak beberapa centimeter. Fenomena 'relativistic runaway electron avalanches' yang biasanya memicu petir di atmosfer dapat disimulasikan dalam bahan ini, menghasilkan pelepasan listrik yang sangat cepat. Jika penelitian ini dikonfirmasi secara eksperimental, maka studi petir dapat dilakukan dalam kondisi terkontrol di laboratorium tanpa membutuhkan badai. Ini akan mempermudah penelitian, mengurangi biaya, dan membuka kemungkinan teknologi sinar-X yang lebih kecil dan aman untuk aplikasi medis dan keamanan.

Para peneliti di Empa, Swiss, telah mengembangkan elektrolit polimer berbasis silikon yang elastis dan lentur untuk baterai solid-state. Elektrolit ini berbeda dari kebanyakan elektrolit solid-state yang kaku dan tidak fleksibel, memungkinkan penggunaan pada baterai yang dapat menyesuaikan bentuk dan nyaman digunakan, khususnya dalam aplikasi medis seperti pacemaker. Penelitian ini memecahkan masalah utama polimer silikon yang biasanya tidak dapat menghantarkan ion dengan baik karena sifat nonpolarnya melalui penambahan gugus fungsional khusus. Elektrolit silikon ini telah diuji dalam berbagai prototipe baterai, termasuk kecil seperti button cell dan berpotensi untuk baterai fleksibel yang lebih luas. Material ini dapat diproses menjadi film tipis beberapa mikrometer dan bisa diproduksi secara massal dengan biaya lebih murah dibandingkan elektrolit polimer konvensional. Selain lentur dan aman, elektrolit ini juga dapat dikombinasikan dengan berbagai bahan katoda, sehingga fleksibel untuk berbagai jenis aplikasi baterai. Pengembangan elektrolit ini berpotensi meningkatkan keamanan serta kenyamanan penggunaan baterai untuk alat medis dan aplikasi portabel lainnya. Penelitian sedang berfokus pada peningkatan konduktivitas ionik sambil mempertahankan sifat elastisnya. Para peneliti juga sedang mencari mitra industri untuk mulai mengkomersialkan teknologi ini dan mengaplikasikannya dalam produksi baterai masa depan.