sintesis carbon nanodots (c-dots) dari ekstrak kulit...
TRANSCRIPT
i
SINTESIS CARBON NANODOTS (C-DOTS) DARI EKSTRAK
KULIT BUAH NAGA MERAH (Hylocereus polyrhizus) DAN
APLIKASINYA SEBAGAI SUPLEMEN TANAMAN
Skripsi
disusun sebagai salah satu syarat
untuk memperoleh gelar Sarjana Sains
Program Studi Fisika
Oleh
Lathifatus Sholikhah
4211415027
JURUSAN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM
UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG
2019
v
MOTTO DAN PERSEMBAHAN
MOTTO
Firman Allah SWT “Man Jada Wa Jada”
Pengalaman merupakan guru paling berharga dalam hidup
Tidak ada yang tidak mungkin selama mau berusaha dan berdo’a
PERSEMBAHAN
Skripsi ini saya persembahkan untuk
Alm. Ibuk Khoiroh, Alm. Mas Syaiful
yang berada di surga-Nya, Bapak,
Adik, Mas, dan pembimbing skripsi
saya Dr. Mahardika Prasetya Aji,
M.Si.serta teman-teman semua
v
vi
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT atas
segala rahmat dan hidayah-Nya. Shalawat serta salam senantiasa tercurah kepada
Nabi Agung Muhammad SAW, sehingga atas izin-Nya penulis dapat
menyelesaikan karya tulis berupa skripsi yang berjudul “Sintesis Carbon nanodots
(C-Dots) dari Ekstrak Kulit Buah Naga Merah (Hylocereus polyrhizus ) dan
Aplikasinya sebagai Suplemen Tanaman” semoga skripsi ini diberkahi Allat
SWT. Skripsi ini disusun sebagai salah satu syarat untuk menyelesaikan pendidikan
Strata Satu Program Studi Fisika di Jurusan Fisika, Universitas Negri Semarang
dalam rangka memperoleh gelar Sarjana Sains.
Terselesaikanya skripsi ini tidak lepas dari bantuan berbagai pihak. Untuk
itu penulis mengucapkan terimakasih kepada:
1. Bapak, Ida, Wafik, Mas Yahya, Mbak Elli, Najwa, Qonita tercinta yang
telah memberikan dukungan baik berupa doa, moril, materiil, semangat,
motivasi, dan saran yang tak henti-hentinya kepada penulis.
2. Dr. Mahardika Prasetya Aji, M.Si. sebagai dosen pembimbing yang telah
membimbing dengan penuh kesabaran, memberikan arahan kepada penulis
serta meluangkan waktu untuk selalu memberikan masukan, saran, dan
motivasi selama penyusunan skripsi.
3. Dr. Mohammad Tauviqirrahman dan istri yang senantiasa dengan tulus
memberikan dukungan dan bersedia memberikan motivasi serta saran
kepada penulis.
4. Muhammad Mustofa, S.Pd. yang senantiasa dengan penuh kesabaran
mendengarkan keluh kesah penulis dan bersedia memberikan motivasi
serta saran kepada penulis.
5. Keluarga di Applied Physics Laboratory: Mbak Ita, Tary, Fina, Arum, Mas
Aan, Mas Adi, Mas Devin, Dek Yuvita, Dek Dea, Dek Jenny atas bantuan,
canda tawa, serta motivasinya.
vi
vii
6. Sahabat-sahabat tersayang, Ella, Ina, Laras, Eva, Deska, Nurul, Juwita
yang penuh kesabaran mendengarkan keluh kesah penulis dan bersedia
memberikan motivasi serta saran kepada penulis.
7. Teknisi Labotarium Fisika UNNES: Pak Muttaqin, Bu Lia, dan Pak Wasi
yang senatiasa memberikan motivasi serta saran kepada penulis.
8. Teman-teman Kos Putri Bunga Anggrek atas motivasi dan dukungan
selama menjalani perkuliahan dan penelitian.
9.
10.
Teman-teman Fisika 2015 atas motivasi dan dukungan selama menjalani
perkuliahan dan penelitian.
Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu yang
membantu menyelesaikan skripsi ini.
Penulis juga memohon maaf apabila dalam penyusunan skripsi ini
ada beberapa kekurangan dan kesalahan karena keterbatasan yang dimiliki penulis.
Sebagai akhir kata, penulis berharap semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi
penulis sendiri dan bagi pembaca sekalian, dan juga penulis mengharapkan saran
dan kritik demi menyempurnakan kajian ini. Semoga penelitian yang telah
dilakukan dapat menjadikan sumbangsih bagi kemajuan dunia riset Indonesia.
Amin.
Semarang, 6 November 2019
Penulis
vii
viii
ABSTRAK
Sholikhah, Lathifatus. 2019. Sintesis Carbon nanodots (C-Dots) dari Ekstrak
Kulit Buah Naga Merah (Hylocereus polyrhizus) dan Aplikasinya sebagai
Suplemen Tanaman. Skripsi, Jurusan Fisika Fakultas Matematika dan Ilmu
Pengetahuan Alam Universitas Negeri Semarang. Pembimbing Dr. Mahardika
Prasetya Aji, M.Si.
Kata kunci: C-Dots, kulit buah naga merah, suplemen, tanaman
Tanaman membutuhkan unsur hara yang penting untuk pertumbuhan. Akan tetapi,
unsur hara yang sering digunakan dalam dekade terakhir ialah pupuk anorganik
berbahan dasar nano. Di sisi lain, pupuk anorganik berbahan dasar nano
membahayakan ekosistem dan mahluk hidup yang mengkonsumsinya, sehingga
dibutuhkan upaya untuk membuat pupuk berbahan dasar nano yang ramah
lingkungan dan aman untuk dikonsumsi. C-Dots dapat disintesis dari bahan dasar
organik yang tidak beracun dan ramah lingkungan berasal dari limbah kulit buah
naga merah (Hylocereus polyrhizus). Bahan dasar pembutan menggunakan ekstrak
kulit buah naga merah yang mengandung gugus nitrogen pada senyawa betalainnya.
Dengan kandungan gugus nitrogen yang tinggi diharapkan dapat menjadi solusinya.
Penelitian ini bertujuan untuk mengetahui karakteristik sifat optik dan strukturnya
serta efektivitas penggunaan C-Dots ekstrak kulit buah naga merah sebagai
suplemen pertumbuhan tanaman. Sintesis C-Dots dilakukan menggunakan metode
microwave dengan variasi waktu pemanasan suhu ruang, 5 menit, 10 menit, 15
menit, 20 menit, 25 menit dan 30 menit daya yang tetap yaitu 230 watt. Treatment
pemberian suplemen ke tanaman dilakukan sebesar 20 ml/L setiap tiga hari sekali.
Hasil sintesis menunjukkan sifat fluoresensi dengan warna emisi biru kehijauan saat
diradiasi sinar UV. Pendaran tersebut mengindikasikan terbentuknya C-Dots.
Spektrum absorbansi C-Dots berada pada rentang panjang gelombang 375-700 nm.
Intensitas absorbansi maksimum berada pada panjang gelombang 412 nm
mengindikasikan adanya transisi elektron π–π* dan transisi n–π*, sedangkan
intensitas emisi maksimum pada panjang gelombang 450 nm (1,92 eV). Sintesis C-
Dots ekstrak kulit buah naga merah mengakibatkan perubahan struktur. Pemanasan
mengakibatkan bertambahnya ikatan C=N dan ikatan C=O pada bilangan
gelombang 1644 cm-1 yang mengikasikan adanya proses karbonisasi untuk
membentuk inti karbon. Ukuran kecil, reaktivitas, dan luas permukaan spesifik
suplemen C-Dots yang lebih tinggi apabila dibandingkan dengan pupuk curah,
dapat meningkatkan kelarutan, difusi, ketersediaan hara pada tanaman dan
meningkatkan pertumbuhan serta mengurangi pencemaran lingkungan. Pemberian
suplemen C-Dots setiap tiga hari sekali menghasilkan laju pertumbuhan tanaman
optimum sebesar 0,8875 cm/hari. Kelebihan tersebut menjadikan C-Dots dari
ekstrak kulit buah naga merah (Hylocereus polyrhizus) berpotensi sebagai
suplemen pertumbuhan tanaman. Hal ini didukung dengan adanya interaksi pada
bilangan gelombang 1483 cm-1 sehingga menghasilkan gugus fungsi C-N.
viii
ix
DAFTAR ISI
Halaman
HALAMAN JUDUL ........................................................................................... i
PERSETUJUAN ................................................................................................. ii
PERNYATAAN .................................................................................................. iii
PENGESAHAN .................................................................................................. iv
MOTTO DAN PERSEMBAHAN ...................................................................... v
KATA PENGANTAR ........................................................................................ vi
ABSTRAK .......................................................................................................... viii
DAFTAR ISI ....................................................................................................... ix
DAFTAR TABEL ............................................................................................... xi
DAFTAR GAMBAR .......................................................................................... xii
DAFTAR LAMPIRAN ....................................................................................... xiii
BAB
I. PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang .................................................................................... 1
1.2 Rumusan Masalah .............................................................................. 3
1.3 Batasan Masalah ................................................................................. 4
1.4 Tujuan Penelitian ................................................................................ 4
1.5 Manfaat Penelitian .............................................................................. 4
1.6 Sistematika Penulisan Skripsi ............................................................. 4
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Buah Naga Merah ............................................................................... 6
2.2 Pupuk (Fertilizer) ............................................................................... 7
2.2.1 Jenis-jenis Pupuk dan Fungsinya ........................................................ 9
2.2.1.1 Pupuk Organik .................................................................................... 9
2.2.1.2 Pupuk Anorganik ................................................................................ 10
ix
x
2.3 Nanopartikel Carbon Dots (C-Dots) .................................................. 12
2.3.1 Metode Sintesis C-Dots ...................................................................... 13
2.3.2 Sifat Absorbansi Nanopartikel C-Dots ............................................... 14
2.3.3 Sifat Fluoresensi Nanopartikel C-Dots ............................................... 15
2.3.4 Karakterisasi Struktur Nanopartikel C-Dots....................................... 16
2.4 Nanopartikel C-Dots untuk Fertilizer ................................................. 17
III. METODE PENELITIAN
3.1 Pelaksanaan Penelitian ....................................................................... 21
3.2 Tahap Sintesis ..................................................................................... 23
3.3 Karakterisasi C-Dots .......................................................................... 24
3.3.1 Spektofotometer UV-VIS Nir ............................................................. 24
3.3.2 Photoluminescence (PL) ..................................................................... 24
3.3.3 Fourier Transform Infrared (FTIR) .................................................... 25
3.4 Aplikasi performa C-Dots sebagai Tanaman...................................... 25
3.4.1 Dimensi Tanaman .............................................................................. 25
3.4.2 Laju Pertumbuhan Tanaman .............................................................. 26
IV. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1 Sifat Optik C-Dots dari Kulit Buah Naga Merah ............................... 30
4.1.1 Absorbansi C-Dots ............................................................................. 30
4.1.2 Fluoresensi C-Dots ............................................................................. 34
4.2 Struktur C-Dots .................................................................................. 36
4.2.1 Karakterisasi FTIR ............................................................................. 36
4.3 Uji Performa C-Dots sebagai Suplemen Tanaman ............................ 38
4.3.1 Dimensi Tanaman ............................................................................... 38
4.3.2 Laju Pertumbuhan Tanaman .............................................................. 40
4.3.3 Interaksi C-Dots dengan NPK ............................................................ 41
V. BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan ......................................................................................... 43
5.2 Saran ................................................................................................... 43
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................ 44
LAMPIRAN ....................................................................................................... 48
x
xi
DAFTAR TABEL
Tabel Halaman
2.1 Berat Kecambah Kacang Hijau ................................................................. 20
3.1 Sintesis C-dots Ekstrak Kulit Buah Naga Variasi Waktu Pemanasan ....... 23
3.2 Sintesis C-dots Ekstrak Kulit Buah Naga Variasi Waktu Pemanasan ....... 24
4.1 Energi Gap C-Dots Kulit Buah Naga Merah Variasi Waktu Pemanasan .. 32
4.2 Hasil Pengukuran Dimensi Kangkung Variasi C-Dots Umur 40 hari ....... 39
4.3 Laju pertumbuhan kangkung darat variasi C-Dots umur 20 dan 40 hari .. 40
xi
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar Halaman
2.1 Morfologi buah naga merah (Hylocereus polyrhizus) ............................... 6
2.2 Struktur Betacyanin ................................................................................... 7
2.3 Pupuk Anorganik Jenis NPK ..................................................................... 10
2.4 Fluoresensi C-Dots dari Susu Kedelai. ...................................................... 13
2.5 Ilustrasi sintesis C-Dots metode top-down dan bottom-up ........................ 14
2.6 Skema Sintesis C-Dots Menggunakan Microwave ................................... 14
2.7 Spektrum Absorbansi C-Dots .................................................................... 15
2.8 Mekanisme transisi elektron pada fenomena fluoresensi .......................... 16
2.9 Ilustrasi struktur C-Dots ............................................................................ 17
2.10 Mekanisme massa aliran MWCNT ........................................................... 19
2.11 Pertumbuhan kacang tanah umur 110 hari ................................................ 19
2.12 Pertumbuhan kacang hijau 72 jam ............................................................. 20
3.1 Diagram alir penelitian .............................................................................. 22
4.1 Ekstrak kulit buah naga merah setelah proses pemanasan pada kondisi
sinar tampak (atas) dan sinar UV (bawah) ................................................ 28
4.2 Ilustrasi sintesis C-Dots dengan Teknik Microwave ................................. 29
4.3 Spektrum absorbansi C-Dots dari kulit buah naga merah variasi
waktu pemanasan ....................................................................................... 30
4.4 Energi gap C-Dots kulit buah naga merah variasi waktu pemanasan
ilustrasi sintesis C-Dots dengan Teknik Microwave ................................. 33
4.5 Spektrum fluoresensi C-Dots ekstrak kulit buah naga merah variasi
waktu pemanasan ....................................................................................... 34
4.6 Ilustrasi mekanisme fluoresensi C-Dots dari kulit buah naga merah ........ 35
4.7 Hasil analisis FTIR C-Dots kulit buah naga merah setelah mengalami
proses pemanasan dengan variasi waktu pemanasan................................. 36
4.8 Dimensi pertumbuhan tanaman kangkung darat variasi C-Dots
(a) Umur 20 hari (b) Umur 40 hari ............................................................ 39
4.9 Grafik laju pertumbuhan kangkung darat variasi C-Dots umur 20 hari
dan 40 hari … ........................................................................................... 41
4.10 Analisis interaksi struktur C-Dots dengan NPK di dalam tanah ............... 42
xii
xiii
LAMPIRAN
Halaman
Lampiran 1. Hasil Pengukuran Absorpsi C-Dots ............................................... 48
Lampiran 2. Hasil Pengukuran Energi Gap C-Dots ........................................... 52
Lampiran 3. Hasil Pengukuran FTIR C-Dots .................................................... 56
Lampiran 4. Dokumentasi Penelitian ................................................................. 57
Lampiran 5. Dokumentasi Karakterisasi Penelitian .......................................... 60
xiii
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang Masalah
Tanaman membutuhkan unsur hara yang penting untuk pertumbuhan
seperti unsur Fosfat (P), Seng (Zn), Nitrogen (N), Kalium (K), dan Silikon (Si).
Unsur Silikon (Si) dapat berperan untuk meningkatkan hasil panen terutama dalam
kondisi kekeringan, salinitas, dan patogen (Epstein, 2009; Menaa, 2013). Unsur
Nitrogen (N) dapat berkontribusi untuk pertumbuhan daun, pembentuk protein dan
klorofil (Kaya, 2013). Unsur kalium mampu berkontribusi sebagai pembendung
air, sintesis protein, dan pertumbuhan akar tanaman (Mandal et al., 2009; Gu et al.,
2009). Unsur-unsur hara tersebut berperan penting dalam meningkatkan
produktivitas tanaman.
Peningkatan produktivitas tanaman dapat mencukupi kebutuhan bahan
pangan bagi masyarakat sekaligus meningkatkan keuntungan bagi petani di negara
agraris khususnya Indonesia. Akan tetapi, produktivitas tanaman yang tidak
dikontrol dengan baik dapat berangsur-angsur menurun. Salah satu penyebab
menurunnya produktivitas tanaman adalah menipisnya lahan pertanian di
Indonesia. Meningkatnya populasi penduduk di Indonesia mengakibatkan lahan
pertanian dialihfungsikan menjadi pemukiman penduduk. Data terakhir tercatat
bahwa sawah seluas 187.720 hektar beralih fungsi ke penggunaan lain setiap
tahunnya, terutama di pulau Jawa (Dirjen PLA, 2005). Berkurangnya lahan
pertanian dapat berdampak buruk pada berkurangnya jumlah bahan pangan yang
dihasilkan. Sebuah upaya diperlukan untuk meningkatkan produktivitas tanaman
agar memenuhi kebutuhan bahan pangan tersebut.
Salah satu upaya untuk meningkatkan produktivitas tanaman yang banyak
dikembangkan pada bidang pertanian dalam segi pupuk ialah menggunakan
nanoteknologi (Dey et al., 2018). Material nano memiliki ukuran yang sangat kecil
sehingga mampu mengikat dan menyerap nutrisi yang menyebabkan tanaman tidak
mudah kehilangan nutrisi (Naderi et al., 2013). Di samping itu, unsur hara dapat
terikat kuat oleh nanomaterial akibat adanya interaksi gaya elektrostatik pada akar
1
2
tanaman (Corradini et al., 2010). Dengan demikian, pupuk berbahan dasar nano
mampu meningkatkan efisiensi penggunaan unsur hara pada tanaman
(Chinnamuthu et al., 2009).
Beberapa pupuk berbahan dasar nano telah berhasil dikembangkan oleh
para peneliti (Gogos et al., 2012). Pupuk nano urea berhasil meningkatkan
pertumbuhan tunas dan akar kacang hijau dibandingkan tanaman kontrol (Wang et
al., 2018). Nanopartikel ZnO yang diberikan pada kacang tanah dapat
meningkatkan jumlah kecambah yang tumbuh dibandingkan tanaman kontrol
(Prasad et al., 2012). Nano-Si mampu mencegah stress salinitas pada
perkecambahan biji tomat (Haghighi et al., 2012). Di samping itu, nano TiO2
mampu meningkatkan proses fotosintesis dan pertumbuhan tanaman bayam (Yang
et al., 2006).
Pupuk nanomaterial yang paling banyak digunakan berbahan dasar
anorganik. Nanomaterial anorganik dapat membahayakan ekosistem dan mahluk
hidup yang mengkonsumsinya (Tilman et al., 2002). Salah satu penyebab
kerusakan ekosistem ialah tanaman yang kehilangan hara anorganik dalam tanah
akibat hujan, penguapan atau dibawa oleh organisme (Ouyang et al., 2017). Sebuah
upaya diperlukan untuk membuat pupuk berbahan dasar yang ramah lingkungan
dan aman untuk dikonsumsi.
Bahan nanomaterial organik memiliki kelebihan daripada bahan
nanomaterial anorganik karena memiliki sifat tidak beracun sehingga aman bagi
lingkungan dan makluk hidup yang mengkonsumsinya. Selain itu, pupuk organik
juga dapat meningkatkan hasil produktivitas tanah dan tanaman (Hartatik et al.,
2015). Carbon Nanodots (C-Dots) merupakan nanomaterial yang dapat disintesis
dari bahan organik. Beberapa contoh sintesis C-Dots dari bahan organik yaitu C-
Dots dari kulit jeruk, kulit manggis, limbah kertas dan lain sebagainya (Sahu et al.,
2012; Aji et al., 2017; Fadlan et al., 2016). C-Dots merupakan salah satu karbon
nanopartikel yang berukuran kurang dari 10 nm sehingga memiliki sifat yang
mudah larut dalam air, biokompabilitas dan tidak beracun.
C-Dots dapat disintesis dari bahan dasar organik yang tidak beracun berasal
dari limbah kulit buah naga merah (Hylocereus polyrhizus). Penelitian Jariwala
(2017) menyebutkan bahwa limbah kulit buah banyak mengandung nutrisi yang
3
baik untuk pertumbuhan tanaman. Nutrisi yang terdapat di dalam kulit buah naga
merah salah satunya ialah senyawa betalain (Khalida et al., 2010; Cao et al., 2012).
Senyawa betalain merupakan senyawa yang memiliki fungsi perlindungan
terhadap bahaya efek sinar UV (Gergiev et al., 2008). Senyawa betalain terdiri dari
dua pigmen, yaitu pigmen betasianin yang menunjukkan kandungan pigmen
merah-ungu dan pigmen betasantin yang menunjukkan pigmen kuning-jingga
(Azerodo et al., 2008). Pigmen merah yang terdapat pada senyawa betalain
mengandung gugus nitrogen dan bersifat larut dalam air (Moreno et al., 2008). Di
samping itu, nitrogen berfungsi untuk pembentuk protein, klorofil dan
pertumbuhan daun pada tanaman (Kaya et al., 2013). Di sisi lain, kulit buah naga
merah juga mengandung polyphenol dan antioksidan yang dapat menghambat
83,48 ± 1,02% radikal bebas (Nurliyana et al., 2010; Jamilah et al., 2011). Hal
tersebut mengartikan bahwa kulit buah naga merah banyak mengandung nutrisi
yang baik untuk pertumbuhan tanaman. Kelebihan-kelebihan itu menjadikan kulit
buah naga berpotensi sebagai C-Dots suplemen organik untuk pertumbuhan
tanaman karena berukuran sangat kecil, tidak beracun, bernutrisi dan mudah larut
dalam air. Hingga kini C-Dots yang disintesis dari bahan dasar organik
dimanfaatkan untuk fertilizer dalam bidang pertanian masih sangat sedikit.
Fokus penelitian ini ialah suplemen pemicu pertumbuhan tanaman dari
bahan dasar nanomaterial organik, yaitu C-Dots dari limbah kulit buah naga. C-
Dots dari kulit buah naga merah memiliki ukuran kecil dan mengandung nitrogen,
sehingga menyebabkan nutrisi yang terdapat di dalam nitrogen dapat larut dengan
mudah untuk mendukung pertumbuhan tanaman. Hasil dari penelitian ini
berpotensi digunakan sebagai acuan dalam kajian upaya konservasi lingkungan
serta sebagai salah satu jawaban dalam menangani masalah limbah untuk
mendapatkan suplemen pertumbuhan tanaman yang baik.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan dari latar belakang masalah diatas maka dapat dirumuskan
masalah sebagai berikut:
1. Bagaimanakah karakteristik sifat optik nanopartikel Carbon Dots (C-
Dots) dari limbah kulit buah naga merah (Hylocereus polyrhizus)?
4
2. Bagaimanakah efektivitas penggunaan nanopartikel Carbon Dots (C-
dots) dari limbah kulit buah naga merah (Hylocereus polyrhizus) sebagai
suplemen pertumbuhan tanaman?
1.3 Batasan Masalah
Batasan masalah dalam penelitian ini, yaitu:
1. Penelitian ini berfokus untuk mengetahui karakteristik sifat optik
nanopartikel Carbon Dots (C-Dots) dari limbah kulit buah naga merah
(Hylocereus polyrhizus) yang dibatasi pada karakterisasi Vis-Nir, Bandgap,
PL dan FTIR
2. Efektivitas penggunaan nanopartikel Carbon Dots (C-dots) dari limbah kulit
buah naga merah (Hylocereus polyrhizus) sebagai suplemen pertumbuhan
tanaman kangkung yang dilakukan dalam penelitian ini dibatasi pada
karakterisasi dimensi dan laju pertumbuhan
1.4 Tujuan Penelitian
Adapun tujuan dari penelitian ini yaitu:
1. Mengetahui karakteristik sifat optik nanopartikel Carbon Dots (C-Dots)
dari limbah kulit buah naga merah (Hylocereus polyrhizus)
2. Mengetahui efektivitas penggunaan nanopartikel Carbon Dots (C-Dots)
dari limbah kulit buah naga merah (Hylocereus polyrhizus) sebagai
suplemen pertumbuhan tanaman
1.5 Manfaat Penelitian
Manfaat dari karya tulis ini antara lain:
1. Memberikan informasi tentang karakteristik sifat optik Carbon Dots (C-
Dots) dari limbah kulit buah naga merah (Hylocereus polyrhizus) sebagai
suplemen pertumbuhan tanaman
2. Memberikan informasi tentang pemanfaatan Carbon dots (C-dots) dari
limbah kulit buah naga merah untuk suplemen pertumbuhan tanaman
sehingga mengurangi pencemaran limbah padat pada tanah
1.6 Sistematika Penulisan Skripsi
Sistematika penulisan skripsi disusun dan dibagi menjadi tiga bagian untuk
memudahkan pemahaman tentang struktur dan isi skripsi. Penulisan skripsi ini
5
dibagi menjadi tiga bagian, yaitu bagian pendahuluan skripsi, bagian isi skripsi, dan
bagian akhir isi skripsi.
Bagian pendahuluan skripsi terdiri dari halaman judul, sari (abstrak),
halaman pengesahan, motto dan persembahan, kata pengantar, daftar isi, daftar
gambar, daftar tabel, dan daftar lampiran.
Bagian isi skripsi, terdiri dari lima bab yang tersusun dengan sistematika
bab 1 yang meliputi pendahuluan, berisi latar belakang, rumusan masalah,
pembatasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika
penulisan skripsi; bab 2 yang berisi landasan teori yaitu teori-teori pendukung
penelitian; bab 3 memuat metode penelitian, berisi tempat pelaksanaan penelitian,
alat dan bahan yang digunakan, serta langkah kerja yang dilakukan dalam
penelitian; bab 4 yang meliputi hasil penelitian dan pembahasan, dalam bab ini
dibahas tentang hasil-hasil penelitian yang telah dilakukan dan terakhir bab 5 yaitu
penutup yang berisi tentang kesimpulan hasil penelitian yang telah dilakukan serta
saran-saran yang berkaitan dengan hasil penelitian.
Bagian akhir skripsi memuat tentang daftar pustaka yang digunakan sebagai
acuan dari penulisan skripsi.
6
BAB II
KAJIAN PUSTAKA
2.1 Buah Naga Merah (Hylocereus polyrhizus)
Buah naga merah dalam dekade terakhir banyak dikembangbiakan pada
negara beriklim tropis seperti Australia, negara-negara asia tenggara khususnya
Indonesia. Buah ini memiliki kulit berwarna merah dan daging keunguan, batang
berlilin, hijau keputihan dengan tepian tajam, dan memiliki duri yang kecil,
morfologi buahnya terlihat pada Gambar 2.2. Buah naga merah dihasilkan oleh
tanaman sejenis kaktus dengan klasifikasi sebagai berikut:
Divisi : Spermatophyta
Subdivisi : Angiospermae
Kelas : Dicotyledonae
Ordo : Cactales
Famili : Cactaceae
Subfamili : Hylocereanea
Genus : Hylocereus
(Kristanto et al., 2008)
Gambar 2.1 Morfologi buah naga merah (Hylocereus polyrhizus)
Kulit buah naga merah (Hylocereus polyrhizus) mengandung pigmen
betacyanin (150,46 mg/100g), pektin (10,17%) dan serat 69,30% (jamilah, 2011).
Buah ini juga mengandung berbagai senyawa bioaktif seperti asam stearat, asam
oleat, campesterol, stigmasterol, asam asetat, betanin, isobetanin, fenolik, dan
flavonoid (Foong et al., 2012). Flavonoid adalah salah satu senyawa alami yang
6
7
berpotensi sebagai agen fotoprotektif karena memiliki kemampuan dalam
menyerap sinar UV serta dapat menjadi senyawa antioksidan (Saewan et al., 2013).
Di samping itu, senyawa antioksidan tersebut dapat melawan radikal bebas karena
memiliki gugus-gugus fenol atau gugus –OH yang terikat pada karbon cincin
aromatik. Aktivitas antioksidan buah ini dengan nilai IC50 73,2772 ppm,
sedangkan kadar total rata-rata antosianin diperoleh sebesar 58,0720 ± 0,0001 ppm
dan jenis antosianin yang terkandung dalam ekstrak etanol kulit buah naga merah
adalah sianidin dengan membentuk puncak maksimum pada panjang gelombang
547 nm (Putri, 2015). Kandungan-kandungan tersebut ternyata dapat meningkat
pertumbuhan tanaman.
Gambar 2.2 Struktur Betacyanin (Bhagwat dan Holden, 2014)
Limbah kulit buah naga yang diolah menjadi ekstrak menunjukkan pH 2,73
(Ingrath, 2015). Di sisi lain, limbah kulit buah banyak mengandung nutrisi yang
baik untuk pertumbuhan tanaman (Jariwala et al., 2017). Diperlukan upaya untuk
mengubah kondisi pH limbah kulit buah naga agar dapat dimanfaatkan secara
optimum sebagai suplemen pertumbuhan tanaman.
2.2 Pupuk (Fertilizer)
Unsur-unsur hara sangat dibutuhkan tanaman akan kebutuhan nutrisi untuk
pertumbuhan dan produktivitas tanaman. Unsur-unsur hara tersebut telah dikemas
dalam bentuk pupuk. Pupuk merupakan bahan atau material senyawa kimia yang
dapat digunakan untuk meningkatkan pertumbuhan tanaman dan buah (Corradini
et al., 2010). Definisi lain menyebutkan bahwa pupuk adalah bahan alami atau
8
buatan yang ditambahkan pada tanah, agar dapat meningkatkan kesuburan tanah
(Hamidah et al., 2010). Di samping itu, kandungan nutrisi yang terdapat di dalam
pupuk dapat memenuhi kebutuhan untuk pertumbuhan tanaman. Pupuk biasanya
diberikan pada tanah (penyerapan hara oleh akar tanaman) atau pada daun
(penyerapan hara melalui daun). Selain itu, pupuk juga dapat digunakan pada
lingkungan perairan, seperti pemupukan pada hidroponik.
Pupuk yang sering digunakan dalam dekade terakhir ialah pupuk anorganik.
Kandungan pupuk anorganik terdiri dari tiga nutrisi utama yaitu nitrogen, fosfor,
dan kalium (N, P dan K). Disebutkan oleh Corradini (2010) kandungan yang
terdapat di dalam pupuk terdiri dari P2O4, K2O, dan MgO.
Pupuk memiliki kandungan nutrisi pelengkap apabila tanaman tidak dapat
memenuhinya mengakibatkan berbagai macam gangguan. Gangguan yang dialami
tanaman dapat dibedakan menjadi gangguan dari luar dan gangguan dari dalam.
Gangguan dari luar dapat dicontohkan seperti gangguan pada hama tanaman, iklim,
kondisi pH tanah, tanah dengan sedikit kandungan humusnya, dan lain sebagainya.
Gangguan dari dalam dapat didefinikan seperti pertumbuhan yang tidak sempurna
akibat sifat gen dari tanaman (pertumbuhan kerdil, warna yang berbeda dari
induknya, tidak berbunga atau berbuah dan lain sebagainya). Peningkatan efisiensi
pemberian nutrisi pada tanaman sehingga dapat meningkatkan hasil panen dan
mengurangi pencemaran lingkungan merupakan strategi penting (Baligar, 2014).
Akan tetapi, sebagian besar nutrisi yang diaplikasikan ke tanah sebagai pupuk
anorganik tanaman, telah menghilang dari tanah sebesar 40-70 % nitrogen, 80-90
% fosfor, dan 50-70 % nitrogen. Kandungan nutrisi pupuk unsur hara N berfungsi
sebagai pendorong pertumbuhan tanaman yang cepat dan memperbaiki tingkat hasil
serta kualitas (Kaya et al., 2013), pengembangan luas daun, pembentukan biji,
pengisian biji, dan sintesis protein pada tanaman. Unsur hara K berfungsi
meningkatkan produksi tanaman. Buah naga merah (Hylocereus polyrhizus) sangat
berlimpah di Indonesia, sehingga banyak masyarakat yang berminat untuk
mengonsumsinya secara besar-besaran. Di sisi lain dengan konsumen buah naga
yang besar berdampak pada limbah kulit, kususnya kulit buah naga yang terbuang
secara cuma-cuma.
9
Pupuk sebagai pelengkap unsur hara pada tanaman memiliki beberapa
manfaat yang berkaitan dengan sifat fisika dan kimia tanah. Manfaat pupuk yang
berkaitan dengan sifat fisika tanah yaitu memperbaiki struktur tanah dari padat
menjadi gembur. Pemberian pupuk organik terutama dapat memperbaiki struktur
tanah dengan menyediakan ruang pada tanah untuk udara dan air. Manfaat lain
adalah mengurangi erosi pada permukaan tanah, berfungsi sebagai penutup tanah
dan memperkuat struktur tanah di bagian permukaan sehingga tanah tidak mudah
tergerus air. Manfaat pupuk yang berkaitan dengan sifat kimia tanah yaitu
menyediakan unsur hara yang diperlukan tanaman untuk membantu mencegah
terjadinya kehilangan unsur hara seperti N, P, dan K yang sifatnya sangat mudah
hilang karena penguapan.
2.2.1 Jenis-jenis Pupuk dan Fungsinya
Metode pemberian pupuk yang tepat, penambahan bahan organik seperti
tandan buah kosong berpotensi membantu penyerapan pupuk secara efektif
(Kheong et al., 2010). Penyerapan pupuk secara efektif dipengaruhi oleh kelarutan,
difusi dan luas permukaan pupuk tersebut. Pupuk berdasarkan senyawa dapat
digolongkan menjadi dua jenis yaitu pupuk organik dan pupuk anorganik.
2.1.1.1 Pupuk Organik
Pupuk organik dapat didapatkan secara konvensional atau tradisional.
Pupuk organik mengandung bahan yang dibutuhkan oleh tanaman guna untuk
kesuburan tanah baik biologi, kimia maupun fisik. Pupuk organik sebagai sumber
hara yang penting bagi tanah dan tanaman, pupuk organik mempunyai beberapa
keunggulan yaitu dapat meningkatkan kandungan bahan organik di dalam tanah,
pendukung agregat tanah, dapat mencegah degradasi lahan dan meningkatkan
ketersediaan hara di dalam tanah. Pupuk organik mengandung asam humus yang
dapat membantu membebaskan unsur-unsur yang terikat, sehingga mudah diserap
oleh tanaman (Hasibun et al., 2006).
Pupuk organik dapat dibedakan menjadi pupuk organik padat dan pupuk
organik cair. Pengaplikasian pupuk organik padat biasanya disebar atau ditabur
pada tanah agar nutrisinya dapat diserap secara langsung oleh tanah akar tanaman.
10
Akan tetapi, pupuk dalam bentuk padat mengalami slow release apabila diserap
oleh akar tanaman, karena proses difusi akar tanaman membutuhkan waktu yang
cukup lama. Pengaplikasian pupuk organik cair lebih mudah diserap oleh akar
tanaman karena larut di dalam air.
Dosis atau konsentrasi yang diberikan untuk pengaplikasian terhadap
tanaman disebutkan bahwa konsentrasi pupuk organik cair sebesar 4 ml/L air dapat
memberikan pengaruh terbaik terhadap bobot kering tanaman (Ridwan, 2018).
Manfaat pupuk cair antara lain dapat meningkatkan pembentukan klorofil,
meningkatkan vigor tanaman agar menjadi lebih kokoh, merangsang pertumbuhan
cabang produksi, meningkatkan pembentukan bunga dan bakal buah dan
mengurangi gugurnya daun.
2.1.1.2 Pupuk Anorganik
Sebagian besar penduduk Indonesia masih banyak menggunakan pupuk
anorganik. Ketersediaan Pupuk anorganik dapat didapatkan dengan pengolahan
bahan kimia. Bahan kimia yang sering digunakan dalam komposisi pupuk
anorganik di pasaran di antaranya N, P2O4, K2O, dan MgO.
Gambar 2.3 Pupuk anorganik jenis NPK
Pupuk berdasarkan fasanya dibedakan menjadi dua jenis yaitu pupuk padat
dan pupuk cair. Pupuk padat merupakan kelarutan yang beragam, mulai yang
mudah larut dalam air sampai yang sukar larut. Pupuk cair, merupakan pupuk yang
dilarutkan dahulu ke dalam air dan umumnya pupuk ini disemprotkan ke daun.
Pupuk cair mengandung banyak hara, baik makro maupun mikro, harganya relatif
mahal. Pupuk amoniak cair merupakan pupuk cair yang kadar nitrogennya sangat
tinggi sekitar 83%, penggunaannya dapat diinjeksikan lewat tanah
11
Pupuk berdasarkan reaksi fisiologinya dibedakan menjadi dua jenis yaitu
pupuk yang mempunyai reaksi fisiologis masam dan pupuk yang mempunyai reaksi
fisiologis basis. Pupuk yang mempunyai reaksi fisiologis masam merupakan pupuk
yang diberikan ke dalam tanah, menimbulkan kecenderungan tanah menjadi lebih
masam (pH menjadi rendah). Misalnya Za dan urea. Di sisi lain, pupuk yang
mempunyai reaksi fisiologis basis, merupakan pupuk yang bila diberikan ke dalam
tanah menyebabkan pH tanah cenderung naik, misalnya pupuk chili saltpeter,
calnitro, dan kalsium sianida.
Pupuk berdasarkan jumlah hara yang dikandung dibedakan menjadi dua
jenis yaitu pupuk tunggal dan pupuk majemuk. Pupuk tunggal merupakan pupuk
yang hanya mengandung satu jenis hara tanaman saja. Misalnya, urea hanya
mengandung hara N, TSP hanya dipenting hara P saja (meskipun ada mengandung
hara Ca). Pupuk majemuk merupakan pupuk yang mengandung dua atau lebih hara
tanaman contohnya seperti NPK, amophoska, dan nitrophoska.
Pupuk berdasarkan macam hara tanaman dibedakan menjadi dua jenis yaitu
pupuk makro, pupuk mikro dan pupuk campuran. Pupuk makro merupakan pupuk
yang hanya mengandung hara makro saja. Contohnya NPK dan nitrophoska. Pupuk
mikro merupakan pupuk yang hanya mengandung hara mikro saja. Contohnya
mikrovet, mikroplek, dan metalik. Pupuk campuran makro dan mikro, misalnya
pupuk gandasil, bayfolan, rustika.
Syarat-syarat suatu material dapat digolongkan ke dalam pupuk yang baik
yaitu:
1. Kadar unsur hara. Nilai pupuk ditentukan oleh banyaknya unsur hara yang
terkandung didalamnya, makin tinggi kadar unsur haranya berarti pupuk
semakin baik. Hasil penelitian menunjukkan bahwa tanaman terdiri dari air
(±90%) dan bahan kering atau dry matter (±10%). Bahan kering terdiri dari
bahan-bahan organik dan anorganik. Menurut analisis kimia bahwa bahan
organik terdiri dari 47 % Karbon (C), 7% Hidrogen (H), 44% Oksigen (O)
dan 0,2% sd 2% Nitrogen (N). Sedangkan bahan anorganik merupakan
bagian-bagian mineral atau abu.
2. Higroskopisitas. Higroskopisitas adalah tingkat kemudahan pupuk
menyerap air dari udara. Pupuk yang memiliki higroskopisitas kurang baik
12
akan mudah menjadi basah dan mencair bila terkena udara langsung. Bila
udara kering pupuk akan menjadi bongkahan keras.
3. Kelarutan. Semakin tinggi kelarutan suatu pupuk maka semakin mudah pula
pupuk diserap oleh tanaman. Pupuk N dan K umumnya mudah sekali
diserap oleh tanaman.
4. Keasaman. Pupuk buatan ada yang bersifat atau bereaksi asam dan ada juga
yang bersifat netral dan alkalis. Pupuk yang bersifat asam dapat menurunkan
pH tanah menjadi lebih asam dan dapat menyebabkan tanah menjadi cepat
mengeras. Pada tanah asam, sebaiknya menggunakan pupuk yang kadar
keasamannya rendah seperti pupuk ZK.
5. Kecepatan bekerja pupuk. Kecepatan bekerja suatu pupuk adalah kecepatan
pupuk dalam memberikan reaksi setelah diaplikasikan.
2.3 Nanopartikel Carbon Dots (C-Dots)
Nanopartikel Carbon Dots (C-Dots) merupakan salah satu jenis keluarga
nano berukuran kurang dari 10 nm yang biasanya mengandung karbon sp2/sp3 dan
gugus fungsi seperti amino, karbonil, hidroksil, dan asam karboksilik pada
permukaannya(Geogakirlas et al., 2015). Perolehan pertama kali C-Dots yaitu pada
proses pemurnian single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) melalui proses
elektroforesis. C-Dots juga telah memiliki karakterisasi khas, yaitu muculnya sifat
fotoluminesensi. Di samping C-Dots sebagai material yang memiliki sifat
fotoluminesensi, C-Dots juga dimanfaatkan mulai dari bidang optoelektronik
hingga medis seperti imaging, sensor, dan drug delivery (Roy et.al., 2015; Xu et.al.,
2004; Yang et.al., 2013).
Ciri khas sifat fotoluminesensi C-Dots yaitu bahan dari keluarga karbon
yang memiliki rentang panjang gelombang emisi 360-631nm (Aji et al., 2017; Lu
et al., 2017; Zhu et al., 2015). Di samping itu, C-Dots juga dapat disintesis dari
berbagai bahan organik diantaranya seperti C-Dots dari bawang putih, susu kedelai,
limbah kertas, dan kulit jeruk (Zhao et al., 2015; Zhu et al., 2012; Fadlan et al.,
2016; Sahu et al., 2012). Selain itu, C-Dots juga dapat disintesis dengan proses
sederhana sehingga memerlukan biaya yang rendah. Gambar 2.4 menujukkan
contoh C-Dots yang dihasilkan dari sumber karbon susu kedelai.
13
Gambar 2.4 Fluoresensi C-Dots dari susu kedelai (Zhu et al., 2012)
2.3.1 Metode Sintesis C-Dots
Metode sintesis C-Dots dapat dilakukan dengan dua cara, yaitu metode top-
down dan metode bottom-up. Metode top-down yaitu metode sintesis nanomaterial
dengan cara memecah partikel yang berukuran besar menjadi partikel berukuran
nano. Metode top-down ini C-Dots diperoleh dari pemotongan sumber karbon
seperti carbon fiber, carbon black, carbon nanotubes (CNTs) dan lain sebagainya.
Metode pemotongan tersebut menggunakan asam oksida (HNO3, HSO4, atau
campuran). Contoh dari metode top-down ialah arc-discharger, laser ablation dan
oksidasi elektrokimia (Roy et al., 2015). Metode bottom-up merupakan metode
dengan proses sintetis yang lebih sederhana daripada top-down. Sintesis pada
metode bottom-up biasanya menggunakan microwave, ultrasonik, teknik oksidasi
pembakaran, hidrotermal, atau oksidasi asam. Metode bottom-up, juga disebut
metode kimia, asam organik banyak digunakan sebagai bahan awal dengan metode
kimia (Kumar et al, 2018). Sintesis C-dots dari asam sitrat menggunakan metode
microwave, dan juga dilaporkan bahwa menggunakan metode microwave hanya
senyawa organik sederhana dengan berat molekul kurang dari 800 Da dapat berhasil
menghasilkan nanopartikel Carbon Dots (C-dots) (Surati et al, 2012).
Penelitan ini memilih fokus pada teknik microwave, sebab memiliki metode
alternatif sintesis C-dots dalam kondisi ringan. Sintesis C-Dots dari kulit buah naga
merah dapat disintesis dengan mengunnakan metode microwave. Sintesis C-Dots
dengan metode top-down dan bottom-up dapat diilustrasikan seperti pada Gambar
2.5.
14
Gambar 2.5 Ilustrasi sintesis C-Dots metode top-down dan bottom-up
Metode yang digunakan untuk ekstraksi betalain menggunakan microwave,
yaitu pemanasan menggunakan gelombang mikro berdasarkan tumbukan langsung
dengan material polar atau pelarut dan diatur oleh dua fenomena yaitu konduksi
ionik dan rotasi dipole (Delazar et al., 2012). Metode MAE (Microwave Assisted
Extraction) mempunyai keunggulan antara lain waktu yang dibutuhkan lebih
singkat, pelarut yang dibutuhkan lebih sedikit, sesuai untuk konstituen termolabil,
memberikan hasil ekstraksi yang efisien dan mengurangi emisi CO2.
Sintesis C-Dots dilakukan dengan menggetarkan molekul prekursor yang
dilarutkan di dalam aquades dengan menggunakan radiasi gelombang mikro.
Metode tersebut dilakukan oleh Zhu et al(2009) untuk mensintesis C-Dots dari
PEG2000N dan Sakarida dilarutkan dalam air, kemudian dipanaskan dengan 550 W
selama 2 hingga 10 menit seperti Gambar 2.5.
Gambar 2.6 Skema sintesis C-Dots menggunakan microwave
2.3.2 Sifat Absorbansi Nanopartikel C-Dots
Fenomena penyerapan cahaya oleh suatu material yang menandakan adanya
transisi elektron dari keadaan energi rendah ke energi yang lebih tinggi biasa
disebut sebagai fenomena absorpsi. Di dalam molekul organik, transisi ini terjadi
di dalam orbital molekul, yaitu elektron pada Highest Occupied Molecular Orbital
(HOMO) dan Lowest Unoccupied Molecular Orbital (LUMO). C-Dots
menunjukkan absorpsi pada daerah UV, dengan ekor memanjang ke daerah tampak.
Besar C-Dots yang biasannya disintesis menggunakan metode hidrotermal,
BULK POWDER NANOPARTIKEL CLUSTER ATOMS
TOP DOWN BOTTOM UP
15
microwave menunjukkan absorpsi pada daerah panjang gelombang 260-320 nm
dengan ekor memanjang ke daerah tampak, namun setelah C-Dots mengalami
modifikasi luas permukaan akan menunjukkan absorpsi optik pada 350-550 nm (Li
et al., 2012; Wang et al., 2017).
Gambar 2.7 Spektrum absorbansi C-Dots (Sahu et al., 2012)
Spektrum absorbansi C-Dots berkaitan erat dengan struktur di dalamnya.
Absorbansi C-Dots pada daerah panjang gelombang 340 nm menunjukkan adanya
orbital gugus aromatik π di dalamnya. Daerah tersebut juga mempresentasikan
adanya mekanisme transisi elektron π yaitu transisi elektron C-Dots pada orbital
n→π* yang merupakan transisi dari ikatan C=C dan transisi dari sp2 yang terdiri
dari ikatan C=O dan C=N pada orbital π→π* (Zhou et al., 2013; Lu et al., 2017;
Niu et al., 2014).
2.3.3 Sifat Fluororesensi Nanopartikel C-Dots
Fenomena luminesensi merupakan fenomena yang dimiliki oleh beberapa
material bersifat mudah menyerap/mengabsorbsi energi dan kemudian
memancarkan kembali energi tersebut dalam bentuk cahaya tampak. Energi dari
cahaya yang dipancarkan kembali tersebut berasal dari transisi elektron dalam zat
padat. Energi yang diserap tersebut mengakibatkan elektron tereksitasi dari pita
valensi ke pita konduksi. Daerah pada pita konduksi elektron berada dalam keadaan
tidak stabil sehingga mengakibatkan elektron kembali menuju pita valensi dengan
memancarkan cahaya (Lee et al., 2013). Energi yang diserap tersebut dapat berasal
16
dari energi panas, energi mekanik, energi kimia atau sinar UV. Di samping itu,
luminesensi yang sumbernya berasal dari listrik disebut elektroluminesensis,
sedangkan luminesensi yang sumbernya dari optik dapat dinamakan
fotoluminesensi.
Material luminesensi biasanya disebut sebagai phosphor. Material
luminesensi merupakan material semikonduktor dengan emisi yang dihasilkan
bergantung pada energi gap bahan tersebut. Material luminesensi yang dalam
dekade terakhir menjadi kajian menarik ialah Carbon nanodots (C-Dots).
Berdasarkan waktu tunda antara saat mengabsorbsi dengan saat
memancarkan kembali, luminesensi diklasifikasikan dibagi menjadi dua, yaitu
fluoresensi dan fosforesensi. Rentang waktu antara saat mengabsorbsi dengan
memancarkan kembali berlangsung singkat (kurang dari 1 detik) disebut
fluoresensi, sedangkan untuk rentang waktu yang lama disebut fosforesensi.
(Callister & Rethwisch, 2009). Peristiwa fotoluminesensi C-Dots termasuk di
dalam proses fluorosensi dengan pancaran foton terjadi pada selang waktu yang
singkat, yaitu 10-9 – 10-7s setelah penyerapan energi (Wang et al., 2013).
Gambar 2.8 Mekanisme transisi elektron pada fenomena fluoresensi
2.3.4 Karakterisasi Struktur Nanopartikel C-Dots
Struktur nanopartikel C-Dots mengandung gugus molekuler diantaranya
oksigen, karbon dan hidrogen (Damayanti et al., 2014). Ukuran diameter C-Dots
yang kurang dari 10 nm terdiri dari ikatan hibridasi sp2 dan sp3 (Geogakirlas et al,
2015). C-Dots tersusun atas bagian inti (core) dan permukaan yang terdiri dari
molekul-molekul ligan yang melekat pada inti C-Dots. Adapun ilustrasi struktur C-
Dots dapat ditunjukkan pada Gambar 2.9.
Pita Konduksi
Pita Valensi
hf
Fluoresensi
17
Gambar 2.9 Ilustrasi struktur C-Dots
C-Dots setelah melalui proses pemanasan mengalami penguraian ikatan
rantai karbon pada gugus molekuler, kemudian akan tersusun kembali dan mengikat
unsur-unsur seperti hidrogen, oksigen, karbon dan nitrogen (Aji et al., 2018).
Analisis spektrum C-Dots pada jelaga lilin memunculkan tiga sinyal karbon, di
antaranya ikatan C=C eksternal, ikatan C=C internal dan ikatan C=O tanpa adanya
kemunculan ikatan hibridasi sp3 (Ray et al, 2009; Liu et al, 2007).
2.4 Nanopartikel C-Dots untuk Fertilizer
Ukuran nanopartikel C-Dots yang kurang dari 10 nm dapat menyebabkan
senyawa betalain mudah larut dan terjadi difusi. Kelarutan suatu pupuk dapat
digunakan untuk memperkirakan kecepatan absorpsi pupuk dan termasuk salah satu
faktor penting untuk meningkatkan ketersediaan hara di dalam tanaman.
Ketersediaan hara sangat tergantung pada kemampuan pupuk yang dapat terlarut ke
dalam tanah sebelum diserap oleh tanaman.
Difusi merupakan faktor lain yang penting dalam ketersediaan unsur hara
dalam tanah. Mekanisme difusi dapat terjadi karena adanya perbedaan konsentrasi
unsur hara dalam tanah. Konsentrasi unsur hara yang terdapat pada pemukaan akar
tanaman lebih rendah dibandingkan konsentrasi hara dalam larutan tanah,
konsentrasi unsur hara pada permukaan koloid liat, serta pada permukaan koloid
organik. Tingginya konsentrasi unsur hara pada ketiga posisi tersebut menyebabkan
terjadinya peristiwa difusi dari unsur hara berkonsentrasi tinggi ke konsentrasi
rendah yaitu di posisi permukaan akar tanaman (Simanjuntak et al., 2018).
18
Bidang pertanian nanopartikel C-Dots memiliki kebermanfaatan yang
sangat menjanjikan seperti pada aplikasi pestisida nano untuk kontrol penyakit
tanaman, pemulihan nutrisi dan pupuk cerdas (gogos et al., 2012; dimkpa et al.,
2017; nair et al., 2010). Nanofertilizer dapat didefinisikan sebagai pembawa nutrisi
yang berukuran nanodimensi berkisar antara 30 nm sampai 40 nm (10-9 nm atau
satu milyar meter) dan dapat mengikat nutrisi melimpah karena luas permukaan
yang tinggi serta dapat melepaskanya perlahan hingga menyukupi dengan
kebutuhan tanaman (Subramanian et al., 2015). Salah satu pupuk nano sudah
dimanfaatkan pada tanaman padi ialah nutrisi pupuk dengan sistem CNT (Yatim et
al., 2019) seperti tampak pada Gambar 2.4. Sistem CNT merupakan pengiriman
nutrisi dengan cara aliran massa untuk meningkatkan perkecambahan tanaman
melalui efesiensi asupan air, oksigen dan nutrisi. Pemberian pupuk nutrisi CNT ke
dalam tanaman memiliki dua mekanisme, yaitu penetrasi langsung dan endositosis.
Penetrasi langsung merupakan pemberian nutrisi CNT ke dalam sel epidermis,
sedangkan endositosis merupakan transpor CNT ke dalam sel dengan cara
membentuk vesikula baru dari membran plasma.
Nanopartikel Si juga dapat meningkatkan salinitas pada perkecambahan biji
tomat (Haghighi et al., 2012). Nano-ZnO dengan ukuran 25 nm yang dicampurkan
pada 1000 ppm juga berhasil dimanfaatkan konten tertinggi klorofil, kekuatan bibit
lebih tinggi, pertumbuhan vegetatif awal dan hasil polong signifikan dari kacang
tanah (Prasad et al., 2012). Nanopartikel Carbon Dots yang sudah masuk kedalam
tanaman, maka akan terkumpul paling banyak berada pada daun. Sebab daun
tanaman yang berwarna hijau menunjukkan adanya kandungan klorofil yang
terdapat antioksidan. Sedangkan antioksidan untuk tubuh dapat diperoleh dari
klorofil tumbuhan (Iriyana et al., 2014). Nanofertilizer pada tanaman juga dapat
menghasilkan hasil panen yang melimpah pada tanaman (Kottegoda et al., 2017).
19
Gambar 2.10 Mekanisme massa aliran MWCNT yang masuk ke akar padi
(Yatim et al., 2019)
Nanopartikel ZnO dapat memberikan efek terhadap pertumbuhan
perkecambahan pada biji kacang tanah (Prasad et al., 2012). Hal ini disebabkan
oleh Zn yang memiliki peran mobilitas di dalam floem sehingga meningkatkan
produktivitas tanaman. Gambar 2.5 memperlihatkan hasil dimensi pertumbuhan
tanaman kacang tanah umur 110 hari variasi control, bulk ZnO 1000 ppm dan
carbon nanodots ZnO 1000 ppm memiliki perbedaan signifikan.
Gambar 2.11 Pertumbuhan kacang tanah umur 110 hari variasi; control, bulk
ZnO 1000 ppm dan Carbon nanodots ZnO 1000 ppm
Di sisi lain, pemberian pupuk anorganik urea pada pertumbuhan kacang
hijau telah berhasil diujikan. Gambar 2.6 menujukkan pertumbuhan
perkecambahan kacang hijau selama 72 jam dengan variasi air dan urea 0,2 mg/ml
(Wang et al., 2018). Pertumbuhan tunas dan akar kecambah kacang hijau tersebut
memiliki perbedaan yang signifikan. Hal ini dibuktikan dengan rata-rata tunas dan
20
akar kecambah carbon nanodots urea memanjang 1,5 kali dari panjang kecambah
kacang hijau kontrol. Berat kecambah kacang hijau variasi control 550 gram,
sedangkan berat kacang hijau carbon nanodots urea 0,2 mg/ml sebesar 646 gram
seperti pada Tabel 2.3.
Gambar 2.12 Pertumbuhan kacang hijau 72 jam variasi; air dan urea 0,2
mg/ml
Penelitian tentang suplemen tanaman bertipe daun, sebagai pupuk cair
organik, khususnya unsur hara pada Nitrogen (N) memberikan efek terhadap
tanaman (sintha et al., 2010). Sinkonisasi pelepasan nutrisi dari pupuk dengan
permintaan tanaman selama musim tanam dibutuhkan untuk meningkatkan
penggunaan effisiensi pupuk nanomaterial (Monreal et al., 2015). Hal ini
menjadikan suplemen ataupun pupuk Carbon nanodots memiliki peluang penuh
dalam efesiensi penanaman tumbuhan.
Tabel 2.1 Berat kecambah kacang hijau umur 72 jam variasi; air dan urea 0,2
mg/ml
Variasi Berat
N-CDs (0,2 mg/ml) 646 gram
Air murni 550 gram