Surface Area Analyzer A. Penjelasan Alat Surface Area Analyzer (SAA) merupakan salah satu a lat utama dalam karakterisasi material. Alat ini khususnya berfungsi untuk menentukan l uas permukaan material, distribusi pori dari material dan isotherm adsorpsi suatu gas pada suatu bah an.
Alat ini prinsip kerjanya menggunakan mekanisme adsorpsi gas, umumnya nitrogen, argon dan helium, pada permukaan suatu bahan padat yang akan dikarakterisasi pada suhu konstan biasanya suhu didih dari gas tersebut. Alat tersebut pada dasarnya hanya mengukur jumlah gas yang dapat dijerap oleh suatu permukaan padatan pada tekanan dan suhu tertentu. Secara sederhana, jika kita mengetahui berapa volume gas spesifik yang dapat dijerap oleh suatu permukaan padatan pada suhu dan tekanan tertentu dan kita mengetahui secara teoritis luas permukaan dari satu molekul gas yang dijerap, maka luas permukaan total padatan tersebut dapat dihitung. Tentunya telah banyak teori dan model perhitungan yang dikembangkan para peneliti untuk mengubah data yang dihasilkan alat ini berupa jumlah gas yang dijerap pada berbagai tekanan dan suhu tertentu (disebut juga isotherm) menjadi data luas p ermukaan, distribusi pori, volume pori dan lain sebagainya. Misalnya saja untuk menghitung luas permukaan padatan dapat digunakan BET teori, Langmuir teori, metode t-plot, dan lain sebagainya. Yang paling banyak dipakai dari teori – teori – teori teori tersebut adalah BET (lihat pada kategori dasar teori).
Gambar diatas adalah contoh alat SAA dari perusahaan Quantachrome dengan seri Autosorb-1. Gambar A adalah port untuk keperluan degassing. Seri ini memiliki 2 port untuk k eperluan itu.
Tampak satu port sedang dipakai untuk degassing sampel yang diletakkan dalam tabung dan diselimuti bagian bawah tabung dengan mantel pemanas. Gambar B adalah port analisa yang pada gambar baru tidak terpakai. Gambar C adalah kontainer untuk menampung zat pendingin. Jika kita memakai gas nitrogen maka kita perlu p erlu memakai nitrogen cair dengan suhu sekitar 77 K. Jika memakai penjerapan argon maka kita perlu argon cair. Sehingga mungkin ini menjadi kendala juga ketika akan mengoperasikan alat ini di Indonesia yang belum punya banyak instalasi gas dalam kondisi cairnya. Sedangkan gambar D adalah panel yang menunjukkan layout dari proses analisa dilengkapi indikator – indikator – indikator indikator lampu yang dapat menandakan setiap valve dalam posisi dibuka atau ditutup. B. Persiapan Sampel Preparasi sampel untuk analisa luas permukaan cukup sederhana. Namun juga tergantung dari seri alat, biasanya seri lama mengharuskan bahan dipeletkan terlebih dahulu agar tidak menghasilkan debu yang dapat merusak alat. Namun pada versi baru alat sudah diberi pengaman sehingga sampel berbentuk serbuk langsung dapat dianalisa. Hanya saja perlu diperhatikan jika sampel terlalu ringan maka akan terjadi peristiwa elutriasi pada saat tabun g sampel dikenai tekanan vakum yang dapat mempengaruhi hasil analisa. Solusinya disamping dipeletkan, dapat juga dengan memakai tabung sampel yang sesuai. Biasanya alat ini memberikan banyak alternatif bentuk tabung yang spesifik untuk kondisi sampel tertentu. Beberapa jenis tabung sampel disajikan pada gambar dibawah ini. Tabung yang memiliki tempat sampel besar biasanya bi asanya dipakai untuk serbuk sedangkan yang kecil untuk pelet atau serbuk yang tidak mudah melayang.
Alat ini hanya memerlukan sampel dalam jumlah yang kecl. Biasanya berkisar 0.1 sampai 0.01 gram saja. Persiapan utama dari sampel sebelum dianalisa adalah dengan menghilangkan gas – gas – gas yang terjerap (degassing). Alat surface area an alyzer ini terdiri dari dua bagian utama yaitu Degasser dan Analyzer. Degasser berfungsi untuk memberikan perlakuan awal pada bahan uji sebelum dianalisa. Fungsinya adalah untuk menghilangkan gas – gas – gas gas yang terjerap pada permukaan padatan dengan cara memanaskan dalam kon disi vakum. Biasanya degassing dilakukan selama lebih dari 6 jam dengan suhu berkisar antara 200 – 200 – 300C 300C tergantung dari
Tampak satu port sedang dipakai untuk degassing sampel yang diletakkan dalam tabung dan diselimuti bagian bawah tabung dengan mantel pemanas. Gambar B adalah port analisa yang pada gambar baru tidak terpakai. Gambar C adalah kontainer untuk menampung zat pendingin. Jika kita memakai gas nitrogen maka kita perlu p erlu memakai nitrogen cair dengan suhu sekitar 77 K. Jika memakai penjerapan argon maka kita perlu argon cair. Sehingga mungkin ini menjadi kendala juga ketika akan mengoperasikan alat ini di Indonesia yang belum punya banyak instalasi gas dalam kondisi cairnya. Sedangkan gambar D adalah panel yang menunjukkan layout dari proses analisa dilengkapi indikator – indikator – indikator indikator lampu yang dapat menandakan setiap valve dalam posisi dibuka atau ditutup. B. Persiapan Sampel Preparasi sampel untuk analisa luas permukaan cukup sederhana. Namun juga tergantung dari seri alat, biasanya seri lama mengharuskan bahan dipeletkan terlebih dahulu agar tidak menghasilkan debu yang dapat merusak alat. Namun pada versi baru alat sudah diberi pengaman sehingga sampel berbentuk serbuk langsung dapat dianalisa. Hanya saja perlu diperhatikan jika sampel terlalu ringan maka akan terjadi peristiwa elutriasi pada saat tabun g sampel dikenai tekanan vakum yang dapat mempengaruhi hasil analisa. Solusinya disamping dipeletkan, dapat juga dengan memakai tabung sampel yang sesuai. Biasanya alat ini memberikan banyak alternatif bentuk tabung yang spesifik untuk kondisi sampel tertentu. Beberapa jenis tabung sampel disajikan pada gambar dibawah ini. Tabung yang memiliki tempat sampel besar biasanya bi asanya dipakai untuk serbuk sedangkan yang kecil untuk pelet atau serbuk yang tidak mudah melayang.
Alat ini hanya memerlukan sampel dalam jumlah yang kecl. Biasanya berkisar 0.1 sampai 0.01 gram saja. Persiapan utama dari sampel sebelum dianalisa adalah dengan menghilangkan gas – gas – gas yang terjerap (degassing). Alat surface area an alyzer ini terdiri dari dua bagian utama yaitu Degasser dan Analyzer. Degasser berfungsi untuk memberikan perlakuan awal pada bahan uji sebelum dianalisa. Fungsinya adalah untuk menghilangkan gas – gas – gas gas yang terjerap pada permukaan padatan dengan cara memanaskan dalam kon disi vakum. Biasanya degassing dilakukan selama lebih dari 6 jam dengan suhu berkisar antara 200 – 200 – 300C 300C tergantung dari
karakteristik bahan uji. Namun jika tidak ada waktu degassing selama 1 jam juga sudah memenuhi yang biasanya alat ini dilengkapi dengan metode pengecekan kesempurnaan proses degassing dengan menekan tombol tertentu pada komputer pengendali. Kemudian setelah dilakukan degassing maka bahan uji dapat dianalisa. Proses degassing dilakukan dengan cara menutup ujung tabung berisi sampel dengan mantel pemanas dan ujung atas dihubungkan dengan port degas seperti pada gambar dibawah ini.
C. Proses Analisa Setelah sampel selesai didegas, maka dapat langsung dianalisa. Sebelum analisa tentunya perlu ditimbang berat sampel setelah degas. Supaya benar – benar – benar benar diketahui berat sampel sebenarnya setelah dibersihkan dari gas – gas – gas gas yang terjerap. Kemudian yang perlu dilakukan sebelum nenjalankan analisa biasanya adalah mengisi kontainer pendingin dengan gas cair. Kemudian mengeset kondisi alalisa. Waktu analisa bisa berkisar antara 1 jam sampai lebih dari 3 hari untuk satu sampel. Jika hanya ingin mengetahui luas permukaan maka kita hanya membutuhkan 3 – 3 – 5 5 titik isotherm sehingga proses analisa menjadi singkat. Namun jika kita ing in mengetahui distribusi pori khususnya material yang mengandung pori uk uran mikro (< 20A) maka memerlukan 2 – 2 – 3 3 hari untuk satu kali analisa dengan menggunakan gas nitrogen sebagai adsorbennya. Sebenarnya waktu analisa bisa dipersingkat jika kita menggunakan jenis gas lain misalnya CO2.
Sebenarnya alat ini sangat mudah dioperasikan karena bersifat ototmatis. Untuk memulai analisa setelah mengisi data – data – data data mengenai berat sampel dan berapa titik amalisa yang diinginkan dilakukan dengan memencet tombol pada software di komputer pengendali. Proses analisa selesai secara otomatis akan kembali ke posisi semula. D. Contoh Hasil Analisa Hasil analisa disajikan dalam grafik ataupun tabulasi. Alat ini dilengkapi dengan perangkat lunak yang dapat menghitung hampir semua data yang diperlukan seperti: luas permukaan, volume pori, distribusi pori dengan berbagai metode perhitungan.dibawah ini contoh tampilan isotherm dari karbon aktif dengan perhitungan PSD nya ditampilkan dalam grafik.
Alat ini harganya relatif mahal lebih dari 800 juta rupiah untuk dapat memilikinya. Kemudian biaya operasionalnya cukup mahal juga karena membutuhkan gas dalam fase cair. Namun sepengetahuan penulis di Indonesia sudah ada beberapa institusi penelitian yang memilikinya meski masih seri lama dari alat ini. terimaksih artikelnya, sangat enambah wawasan, kla ada contoh data running dari awal dan cara mengolahnya sangat membantu… Pada prinsipnya alat surface analyzer sanat mudah dioperasikan. Sebelum analisa, kita hanya menentukan berapa titik adsorpsi yg ingin kita ukur (dinytakan dalam nilai p/po). Nantinya alat akan mengukur berapa banyak gas yg terjerap pada tiap titik p/po yg kita masukkan sebelumnya kemudian data akan dinyatakan dalam tabel tau grafik isotherm adsorpsi (baca artikel terkait di dasar teori). Setelah didapat titik-titik data tersebut maka didalam alat sudah dibekali den gan software penghitung cukup lengkap tinggal kita tentukan ingin dihitung apa dengan metode apa. Misalkan akan menghitung luas permukaan, maka tersedia metode BET, BJH, Langmuir dsb tinggal kita pilih dan software akan menghitungnya secara cepat. Apa perbedaan prinsip antara metode BET, BJH dan langmuir?Bagaimana untuk mengetahui jumlah lapisan gas yang terserap ( mu ltilayer) yang dipakai sebagai faktor koreksi metode BET?Bagaimana cara perhitungan distribusi pori dengan data P/Po dengan beberapa titik volume gas yang terserap pada berbagai kesetimbangan? Terimaksih penjelasannya Balas Beda BET, BJH dan Langmuir ada pada persamaannya, pemakaian masingmasing tergantung bahan apa yg dianalisa atau kemungkinan proses adsorpsi yg
terjadi. Misalkan diduga proses adsorpsi berlangsung secara single layer jadi langmuir lebih tepat dipakai. Jika multilayer bisa dipakai BET secara umum. BJH biasanya dipakai untuk bahan yg mengandung pori ukuran mesopore. Jumlah layer gas terjerap biasanya disimbolkan dengan hu ruf t (kecil), bisa dihitung menggunakan rumus yg ada. Jika memakai software yg tersedia maka bisa dihitung secara otomatis. Persamaan yg menghubungkan ukuran pori dengan jumlah gas teradsoprsi pada P/Po tertentu salah satunya adalah kelvin equation yg bisa dipakai utk menentukan distribusi pori. trimakasih
Pengantar Nanomaterial Ukuran dewasa ini menjadi teramat penting. Semakin maju peradaban manusia maka permasalahan yang dihadapi menjadi sangat kompleks dan menantang. Tak jarang solusi yang harus dimunculkan memerlukan perhatian sampai pada ukuran yang sangat kecil yang sebelumnya belum pernah terpikirkan oleh manusia. Misalkan manusia ingin mendapatkan air murni dari air laut dengan cara memisahkan kandungan garamnya. Metode lama yang bisa dipakai adalah dengan menguapkan air laut sehingga garam akan tertinggal kemudian uap bisa diembunkan kembali dan didapatkan air suling. Namun metode ini sangat menguras energi yang sudah tidak layak lagi diterapkan dimasa depan karena biaya energi yang menjadi semakin mahal. Salah satu solusi yang dimunculkan adalah bagaimana kita bisa menyaring ion – ion garam dalam air laut sehingga kita dapatkan air murni tanpa perlu menaikkan suhu. Maka orang mulai merekayasa saringan molekuler untuk memisahkan air dari ion – ionnya. Saringan molekuler membutuhkan perhatian sampai dengan skala nanometer yang 1nm = 0,000000001 m.
(sumber=oureverydayearth.com) Gambar 1. Scale down menuju skala nanometer Apakah kata orang – orang penting mengenai nanomaterial dan nanoteknologi? Neal Lane seorang penasehat presiden Amerika dalam ilmu dan teknologi berkata: “Jika saya ditanya mengenai bidang mana dari ilmu dan teknologi yang kemungkinan besar akan menghasilkan terobosan – terobosan besar masa depan maka akan saya jawab ilmu dan rekayasa pada skala nano”. Ilmu dari perekayasaan dalam ukuran kecil pertama kali dikenalkan pada tahun 1959 oleh Richard P. Feynman dalam sebuah kuliah berjudul There’s Plenty of Room at the Bottom. ” ..dan pada akhirnya, pada masa depan kita akan mampu menyusun atom menurut apa yang kita inginkan, dan apa yang akan terjadi ketika kita mampu menyusun atom satu – persatu menurut apa yang kita inginkan ..”
(sumber:nano.org.uk) Gambar 2. Perbandingan ukuran rambut manusia dengan serat nano fiber Apa beda antara Nanosains dan Nanoteknologi? Nano sains: Ilmu yang mempelajari sifat – sifat unik yang muncul ketika ukuran mendekati skala nanometer. Nanoteknologi: Rekayasa dari material fungsional/cerdas, alat, dan sistem melalui pengontrolan benda pada skala dari 1 -100 nanometer, dan eksploitasi dari fenomena pada skala tersebut. Nanosains dan nanoteknologi mencakup berbagai disiplin ilmu sebagai berikut: Ilmu murni (Kimia, Fisika, Biologi, Material, Kedokteran) Ilmu Teknik (Mesin, Kimia, Material, Lingkungan, Metalurgi, Elektro) Mengapa nanosains sangat menarik? 1. Struktur berukuran sangat kecil akan menampakkan sifat – sifat unik diakibatkan oleh fraksi interfasa atau permukaan yang besar. 2. Nanosains merupakan sarana untuk memahami dasar – dasar dari pembentukan material cerdas dan mengapa mereka memiliki sifat yang unik.
3. Mengeksplorasi properti dari bahan lebih dalam dari apa yang kita ketahui saat ini. 4. Ilmu baru yang mampu merangkul banyak disiplin ilmu bersama-sama. Mengapa nanomaterials menjadi penting? 1. Menawarkan kemampuan untuk memanipulasi, mengontrol dan mensintesa material pada level atom dan molekul. 2. Mampu menyediakan afinitas, kapasitas dan s elektifitas tingkat tinggi dari suatu material dikarenakan sifat kimia, fisika dan bilogi yang unik. Nanomaterial dapat didefinisikan sebagai benda yang memiliki ukuran antara 1 － 100 nm. Secara geometris, nanomaterial dapat dimasukkan dalam material berdimensi rendah (dibawah 3). Karena ukuran yang sangat kecil maka secara umum karakteristik dari material nano adalah: kecil, ringan, properti unggul, dan cerdas.
(sumber: epa.gov) Klasifikasi material nano berdasarkan geometrisnya: 1. Nol dimensional: fullerenes, quantum dots, nanoparticles, … 2. Satu dimensional: nanotubes, nanorods, nanoblets, nanowires, nanofibres, … 3. Dua dimensional: nanosheets, nanofilms 4. Nanostructured materials: nanocomposites, quantum wells/wires, thin films, …
Isotherm Pemahaman mengenai luas permukaan dan porositas dari suatu material dapat dicapai dengan memahami isoterm adsorpsinya. Ketika kuantitas dari adsorbat (bahan yang dijerap) pada permukaan material dapat diukur dalam kisaran tekanan relatif yang lebar pada suhu konstan maka akan mengasilkan sebuah isotherm. Isotherm yang dihasilkan oleh suatu material dengan adsorbat tertentu memiliki bentuk yang unik dan biasanya dapat dikategorikan pada salah satu dari lima kategori isoterms sebagai berikut.
Tipe I, atau isotherm Langmuir, berbentuk lengkung dan mendekati sejajar pada P/Po mendekati 1. Tipe I ini biasanya dijumpai pada material yang memiliki pori ukuran mikro (500A). Tipe ini merepresentasikan proses adsorpsi berlapis – lapis yang tanpa halangan. Tipe III, isotherm berbentuk cekung pada seluruh kisaran P/Po. Tipe ini cukup jarang dijumpai. Contoh yang terkenal adalah isoterm dari uap air pada karbon tidak berpori. Tipe IV, isoterm diasosiasikan dengan adanya fen omena kondensasi kapiler dalam pori ukuran meso (mesoporous) yang diindikasikan dengan slop yang tajam pada tekanan relatif yang tinggi. Bentuk isotherm ini pada awalnya mengikuti be ntuk isotherm tipe II. Type V isotherms are uncommon, corresponding to the type III, except that pores in the mesopore range are present. Tipe V, isotherm ini tidak umum dijumpai, serupa dengan kondisi pada isotherm tipe III namun kemungkinan didalam bahannya juga mengandung pori berukuran meso (mesoporous).
Struktur Kristal 1 Memahami struktur dari kristal sangat penting dalam mengkarakterisasi suatu material yang memiliki sifat teratur (ordered material). Banyak material baru yang dikemba ngkan memakai istilah dan definisi yang sering dipakai dalam kristalografi ketika mendiskripsikan sifat – sifatnya. Salah satu alat yang memakai konsep dasar kristalografi dalam mengkarakterisasi suatu bahan adalah XRD (X-ray diffraction). Sehingga untuk menginterpretasi hasil analisa dari alat tersebut memerlukan pengetahuan dasar mengenai kristalografi.
Definisi dari kristal adalah bahan yang terdiri dari unit terstruktur yang identik, tersusun dari satu atau lebih atom yang teratur dan berulang secara periodik dalam tiga dimensi. Keteraturan ini berlanjut sampai ratusan molekul. Bangunan terkecil dari kristal disebut basis kemudian susunan yang periodik dideskripsikan dengan latis.
Untuk mendeskripsikan sebuah kristal akan lebih mudah jika kita fokus pada latis bukan pada basisnya. Latis adalah susunan tiga dimensi dari titik (titik latis) yang identik dengan sekelilingnya. Sebuah unit sel adalah bagian terkecil dari latis. Seluruh bangunan l atis dapat disusun dengan mengulang sebuah unit sel tanpa ada ruang kosong diantaranya. Sebuah unit sel dideskripsikan dengan tiga independen unit vektor yaitu a, b dan c.
Variable pada unit sel ada enam buah yaitu panjang dari unit sel yang direpresentasikan oleh tiga vektor (a, b, dan c) dan tiga independen sudut antara dua vektor (α, β, and γ), dimana: α adalah sudut antara b dan c β adalah sudut antara c dan a γ adalah sudut antara a dan b Ada tujuh buah unit sel yang mungkin untuk semua jenis kristal. Ketujuh unit sel disebut tujuh kristal sistem yang terdiri dari: 1. Triclinic system 2. Monoclinic system 3. Orthorhombic system 4. Tetragonal system 5. Cubic system 6. Hexagonal system
7. Rhombohedral system
Dalam beberapa sistem kristal diatas terdapat beberapa kemungkinan jenis latis yang dapat menghasilkan simetri yang tertinggi. Tipe latis tersebut adalah: P = primitive I = body-centred F = face-centred C = base/side centred
Maka sistem kristal beserta latisnya menyusun empat belas cara yang berbeda untuk menyusun titik latis untuk membuat 3D latis. Keempat belas cara t ersebut dikenal dengan Bravais lattices.
apa sih pengaruh struktur kristal terhadap permukaan suatu material?? apakah berpengaruh pada tingkat kekerasan permukaan tersebut?? Balas Struktur kristal sangat mempengaruhi kekerasan. Bandingkan arang dan intan, samasama dibangun dari atom-atom karbon. Namun struktur atom-atom karbon dikedua material tersebut berbeda, arang dibangun dari lembaran-lembaran graphene sedang intan dibangun dari gugus atom karbon berbentuk tetrahedral yg rapat. Biasanya material dengan susunan atom lebih rapat (dense) akan memiliki kekuatan yg lebih besar.
Sturktur Kristal 2 Untuk mendiskripsikan perubahan properti dari kristalin material seperti respon material tersebut terhadap proses deformasi maka kita perlu mendiskripsikan den gan bahasa yang universal
mengenai: 1. Arah didalam kristal 2. Bidang/irisan atomis (atomic planes) dalam sebuah kristal Arah dalam latis kristal ditentukan relatif terhadap aksisnya yang didefinisikan oleh unit vektor dari unit sel. Indeks dari arah suatu kristal dituliskan dalam tanda k urung [ ]. Arah dari kristal adalah suatu vektor yang dapat dinyatakan dalam unit vektor a, b dan c. Secara umum indeks dari arah diberikan dalam bentuk [uvw] dimana u, v dan w adalah bilangan bulat yang terkecil. Untuk vektor berarah negatif maka dituliskan dengan menambahkan garis diatas u, v atau w. Contoh beberapa arah kristal pada sistem cubic dijelaskan dalam gambar dibawah ini.
(sumber=nie.edu.sg) Karena irisan dari sebuah kristal merupakan objek dua dimensi, maka garis normal dari bidang irisan tersebut digunakan untuk mendiskripsikan bidang tadi. Miller indeks biasa digunakan untuk menentukan bidang irisan didalam kristal. Satu set bidang yang paralel dengan jarak yang seragam memiliki indeks yang sama. Indeks untuk bidang irisan dituliskan dalam kurung ( ). Biasa dipakai tiga bilangan bulat, h, k dan l sehingga dituliskan (h k l). Jika sebuah bidang sejajar dengan suatu aksis maka indeks untuk aksis ini nilainya 0. Jika arah dari suatu bidang bernilai negatif, maka indeks diberi tanda garis diatasn ya. Contoh dari penamaan bidang irisan kristal ditunjukan pada gambar berikut ini.
Langkah mudah untuk memberikan indeks miller dari suatu bidang irisan adalah sebagai berikut: 1. Ambil titik asal (titik 0) dari bidang 2. Tentukan nilai intersep dari setiap aksis (1/h)a, (1/k)b, (1/l)c dari titik asal, contoh jika intersep adalah (1/2)a, (1/3)b, (1/1)c, maka indeks bidan g tersebut adalah (2 3 1) seperti gambar dibawah ini. 3. Jika intersep ∞ atau bidang paralel dengan aksis maka indeksnya bernilai nol.
Arti fisis dari Miller indeks adalah indeks ini menyatakan: 1. Orientasi dari bidang atomik melalui harga h, k dan l
2. Jarak antar bidang, yaitu jarank antara bidang yang melewati titik asal dengan bidang berikutnya. Perbedaan jarak dari dua bidang dicontohkan dengan gamabr dibawah ini, bidang (2 2 2) memiliki jarak antar bidang yang lebih kecil dari bidang (1 1 1).
Jarak dari satu set bidang (hkl)) adalah jarak terpendek dari dua bidang yang berdekatan. Jarak merupakan fungsi dari (hkl), yang secara umum semakin besar harga indeks maka semakin kecil jarak antar bidang tersebut. Untuk latis berbentuk kubik, rumus dari jarak antar bidang hkl (dhkl):
Nilai a adalah latis parameter. Untuk bentuk – bentuk kristal yang lain rumusnya lebih rumit.
Difraksi 1 Difraksi merupakan metode yang unggul untuk memahami apa yang terjadi pada level atomis dari suatu material kristalin. Sinar X, elektron dan neutron memiliki p anjang gelombang yang sebanding dengan dimensi atomik sehingga radiasi sinar tersebut sangat cocok untuk menginvestigasi material kristalin. Teknik difraksi mengeksploitasi radiasi yang terpantul dari berbagai sumber seperti atom dan kelompok atom dalam kristal. Ada beberapa macam difraksi yang dipakai dalam studi material yaitu: difraksi sinar X, difraksi neutron dan difraksi elektron. Namun yang sekarang umum dipakai adalah difraksi sinar X dan elektron. Dari metode difraksi kita dapat mengetahui secara langsung mengenai jarak rata – rata antar bidang atom. Kemudian kita juga dapat menentukan orientasi dari kristal tunggal. Secara langsung mendeteksi struktur kristal dari suatu material yang belum diketah ui komposisinya. Kemudian secara tidak langsung mengukur ukuran, bentuk dan internal stres dari suatu kristal.
Prinsip dari difraksi terjadi sebagai akibat dari pantulan elastis yang terjadi ketika sebuah sinar berinteraksi dengan sebuah target. Pantulan yang tidak terjadi kehilangan energi disebut pantulan elastis (elastic scatering). Ada dua karakteristik utama dari difraksi yaitu geometri dan intensitas. Geometri dari difraksi secara sederhana dijelask an oleh Bragg’s Law. Misalkan ada dua pantulan sinar α dan β. Secara matematis sinar β tertinggal dari sinar α sejauh xy+yz yang sama dengan 2d sinθ secara geometris. Agar dua sinar ini dalam fasa yang sama maka jarak ini harus berupa kelipatan bilangan bulat dari panjang gelombang sinar λ . Maka didapatkanlah Hukum Bragg: 2d sin θ = nλ
(sumber:gsu.edu) Secara matematis, difraksi hanya terjadi ketika Hukum Bragg d ipenuhi. Secara fisis jika kita mengetahui panjang gelombang dari sinar yang membentur kemudian kita bisa mengontrol sudut dari benturan maka kita bisa menentukan jarak antar atom (geometri dari latis). Persamaan ini adalah persamaan utama dalam difraksi. Secara praktis sebenarnya nilai n pada persamaan Bragg diatas nilainya 1. Sehingga cukup dengan persamaan 2d sin θ = λ . Dengan menghitung d dari rumus Bragg serta mengetahui nilai h, k, l dari masing – masing nilai d, dengan rumus – rumus dibawah ini kita bisa menentukan latis parameter (a, b dan c) sesuai dengan bentuk kristalnya. Rumus untuk latis ortogonal (kubik, tetrtagonal, ortorombik):
Untuk latis heksagonal:
Difraksi 2 Prinsip – prinsip dari difraksi adalah hasil dari pantulan elastis yang terjadi ketika sebuah sinar berbenturan dengan sasaran serta pantulan sinar yang bersifat elastis. Fenomena dapat dijelaskan dengan Hukum Bragg. Sinar X dalam pembangkitannya dideskripsikan oleh gambar dibawah ini yang didalam sinar x terdapat dua jenis radiasi yaitu sinar x kontinyu dan karakteristik. untuk alat XRD terdapat filter guna menyaring sinar x kontinyu dan hanya meneruskan sinar x karakteristik.
Prinsip dari alat XRD (X-ray powder diffraction) adalah sinar X yang dihasilkan dari suatu logam tertentu memiliki panjang gelombang tertentu, sehingga dengan memfariasi besar sudut pantulan sehingga terjadi pantulan elastis yang dapat dideteksi. Maka menurut Hukum Bragg jarak antar bidang atom dapat dihitung dengan data difraksi yang dihasilkan pada besar sudut – sudut tertentu. Prinsip ini di gambarkan dengan diagram dibawah ini.
Jika seluruh jarak latis (d) diketahui maka akan d apat disusun struktur dari kristal yang dianalisa.
Aplikasi dari difraksi X-ray: 1. Menentukan secara akurat dari latis parameter 2. Menentukan dari struktur kristal 3. Identifikasi dan analisis fasa 4. Menenentukan jenis anisotropi Sedangkan kekurangan dari metode ini adalah memberikan nilai rata – rata dan hasil analisa terbatas pada suatu area lokal tertentu dari suatu s pesimen.
Scanning Electron Microscopy (SEM) Elektron memiliki resolusi yang lebih tinggi daripada cahaya. Cahaya hanya mampu mencapai 200nm sedangkan elektron bisa mencapai resolusi sampai 0,1 – 0,2 nm. Dibawah ini diberikan perbandingan hasil gambar mikroskop cahaya dengan elektron.
Disamping itu dengan menggunakan elektron kita juga bisa mendapatkan beberapa jenis pantulan yang berguna untuk keperluan karakterisasi. Jika elektron mengenai suatu benda maka akan timbul dua jenis pantulan yaitu pantulan elastis dan pantulan non elastis seperti pada gambar dibawah ini.
Pada sebuah mikroskop elektron (SEM) terdapat beberapa peralatan utama antara lain: 1. Pistol elektron, biasanya berupa filamen yang terbuat dari unsur yang mudah melepas elektron misal tungsten. 2. Lensa untuk elektron, berupa lensa magnetis karena elektron yang bermuatan negatif dapat dibelokkan oleh medan magnet. 3. Sistem vakum, karena elektron sangat kecil dan ringan maka jika ada molekul udara yang lain elektron yang berjalan menuju sasaran akan terpencar oleh tumbukan sebelum mengenai sasaran sehingga menghilangkan molekul udara menjadi sangat penting. Prinsip kerja dari SEM adalah sebagai berikut: 1. Sebuah pistol elektron memproduksi sinar elektron dan dipercepat dengan anoda. 2. Lensa magnetik memfokuskan elektron menuju ke sampel. 3. Sinar elektron yang terfokus memindai (scan) keseluruhan sampel dengan diarahkan oleh koil pemindai. 4. Ketika elektron mengenai sampel maka sampel akan mengeluarkan elektron baru yang akan diterima oleh detektor dan dikirim ke monitor (CRT). Secara lengkap skema SEM dijelaskan oleh gambar dibawah ini:
(sumber:iastate.edu) Ada beberapa sinyal yang penting yang dihasilkan oleh SEM. Dari pantulan inelastis didapatkan sinyal elektron sekunder dan karakteristik sinar X sedangkan dari pantulan elastis didapatkan sinyal backscattered electron. Sinyal -sinyal tersebut dijelaskan pada gambar dibawah ini.
Perbedaan gambar dari sinyal elektron sekunder dengan backscattered adalah sebagai berikut: elektron sekunder menghasilkan topografi dari benda yang dianalisa, permukaan yang tinggi berwarna lebih cerah dari permukaan rendah. Sedangkan backscattered elektron memberikan perbedaan berat molekul dari atom – atom yang menyusun permukaan, atom dengan berat molekul tinggi akan berwarna lebih cerah daripada atom dengan berat molekul rendah. Contoh perbandingan gambar dari kedua sinyal ini disajikan pada gambar dibawah ini.
Mekanisme kontras dari elektron sekunder dijelaskan dengan gambar dibawah ini. Permukaan yang tinggi akan lebih banyak melepaskan elektron dan menghasilkan gambar yang lebih cerah dibandingkan permukaan yang rendah atau datar.
Sedangkan mekasime kontras dari backscattered elektron dijelaskan dengan gambar dibawah ini yang secara prinsip atom – atom dengan densitas atau berat molekul lebih besar akan memantulkan lebih banyak elektron sehingga tampak lebih cerah dari atom berdensitas rendah. Maka teknik ini sangat berguna untuk membedakan jenis atom.
Namun untuk mengenali jenis atom dipermukaan yang mengandung multi atom para peneliti lebih banyak mengunakan teknik EDS (Energy Dispersive Spectroscopy). Sebagian besar alat SEM dilengkapi dengan kemampuan ini, namun tidak semua SEM punya fitur ini. EDS dihasilkan dari Sinar X karakteristik, yaitu dengan menembakkan sinar X pada posisi yang ingin kita ketahui komposisinya. Maka setelah ditembakkan pada posisi yang diinginkan maka akan muncul puncak – puncak tertentu yang mewakili suatu unsur yang terkandung. Dengan EDS kita juga bisa membuat elemental mapping (pemetaan elemen) dengan memberikan warna berbeda – beda dari masing – masing elemen di permukaan bahan. EDS bisa digunakan untuk menganalisa secara kunatitatif dari persentase masing – masing elemen. Contoh dari aplikasi EDS digambarkan pada diagram dibawah ini.
(sumber: umich.edu)
Aplikasi dari teknik SEM – EDS dirangkum sebagai berikut: 1. Topografi: Menganalisa permukaan dan teksture (k ekerasan, reflektivitas dsb) 2. Morfologi: Menganalisa bentuk dan ukuran dari benda sampel 3. Komposisi: Menganalisa komposisi dari permukaan benda secara ku antitatif dan kualitatif. Sedangkan kelemahan dari teknik SEM antara lain: 1. Memerlukan kondisi vakum 2. Hanya menganalisa permukaan 3. Resolusi lebih rendah dari TEM 4. Sampel harus bahan yang konduktif, jika tidak konduktor maka perlu dilapis logam seperti emas.
Transmission Electron Microscopy (TEM) Perbedaan mendasar dari TEM dan SEM adalah pada cara bagaimana elektron yang ditembakkan oleh pistol elektron mengenai sampel. Pada TEM, sampel yang disiapkan sangat tipis sehingga elektron dapat menembusnya kemudian hasil dari tembusan elektron tersebut yang diolah menjadi gambar. Sedangkan pada SEM sampel tidak ditembus oleh elektron sehingga hanya pendaran hasil dari tumbukan elektron dengan sampel yang ditangkap oleh detektor dan diolah. Skema perbandingan kedua alat ini disajikan oleh gambar dibawah ini.
Prinsip kerja dari TEM secara singkat adalah sinar elektron mengiluminasi spesimen dan menghasilkan sebuah gambar diatas layar pospor. Gambar dilihat sebagai sebuah proyeksi dari spesimen. Skema dari TEM lebih detil dapat dilihat pada gambar berikut ini.
(sumber: hk-phy.org) Sedangkan sinyal utama yang dapat dihasilkan oleh TEM dideskripsikan pada gambar berikut.
Sinyal utama yang dapat ditangkap atau dihasilkan dari TEM cukup banyak antara lain: 1. Diffraction Contrast Dipakai untuk mengkarakterisasi kristal biasa digunakan untuk menganalisa defek, endapan, ukuran butiran dan distribusinya. 2. Phase Contrast Dipakai untuk menganalisa kristalin material (defek, endapan, struktur interfasa, pertumbuhan kristal) 3. Mass/Thickness Contrast Dipakai untuk karakterisasi bahan amorf berpori, polimer, material lunak (biologis) 4. Electron Diffraction 5. Characteristic X-ray (EDS) 6. Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS + E FTEM) 7. Scanning Transmission Electron Microscopy (STEM) Sehingga aplikasi utama TEM adalah sebagai berikut: analisis mikrostruktur, identifikasi defek, analisis interfasa, struktur kristal, tatanan atom pada kristal, serta analisa elemental skala nanometer. Sementara itu kelebihan dari analisa menggunakan TEM adalah: 1. Resolusi Superior 0.1~0.2 nm, lebih besar dari SEM (1~3 nm) 2. Mampu mendapatkan informasi komposisi dan kristalografi dari bahan uji dengan resolusi tinggi 3. Memungkinkan untuk mendapatkan berbagai signal dari satu lokasi yang sama. Sedangkan kelemahannya adalah: 1. Hanya meneliti area yang sangat kecil dari sampel (apakah ini representatif?) 2. Perlakuan awal dari sampel cukup rumit sampai bisa mendapatkan gambar yang baik. 3. Elektron dapat merusak atau meninggalkan jejak pada sampel yang diuji.
Karakteristik Nanomaterial 1 Nanomaterial sebenarnya bukan ilmu yang baru. Ditemukan peninggalan sejarah berupa keramik yang diberikan dekorasi berupa glasir yang mengandung dispersi logam seperti tembaga dan perak dengan ukuran partikel mencapai nanometer untuk memberikan efek optik tertentu. Gambar dibawah merupakan contoh keramik tersebut dan hasil SEM dari bahan glasirnya.
sumber: www.unizar.es Kemudian pembuatan nanomaterial juga sudah banyak diaplikasikan dalam berbagai bidang sejak lama seperti dalam katalisis, karbon hitam, sol , uap silika, dan industri pigmen dalam hal pembuatan serbuk nano oksida, dispersi skala nano, dan cara pebuatan nanopartikel. Dibawah ini akan dibahas beberapa efek penting yang dimiliki benda jika ukurannya diperkecil menuju skala nano. 1.Efek permukaan Kemudian karakteristik kunci dari nanomaterial yang pertama ad alah jumlah atom permukaan
yang signifikan. Semakin kecil ukuran benda maka permukaan atom penyusun benda tersebut yang terekspos dipermukaan benda akan memiliki fraksi yang semakin besar. Misalkan benda berbentuk kubus dengan panjang sisi L terdiri dari kubus – kubus kecil dengan panjang sisi d sebesar 1/3 nm. Semakin kecil kubus maka semakin besar fraksi atom penyusun yang terekspos seperti dalam hasil hitungan tabel dibawah ini.
Misalkan kita akan memotong sebuah kubus menjadi dua. Kita asumsikan Nb adalah jumlah ikatan kimia yang terlepas, dan e adalah kekuatan ikatan kimia, sedangkan p adalah jumlah atom per luas permukaan baru maka energi permukaan dapat dinyatakan sebagai berikut:
Jika benda tersusun dari kristal dengan struktur FCC maka bisa kita hitung energi permukaan pada masaing – masing bidang permukaannya. Gambar dibawah dapat digunakan sebagai ilustrasi hitungan tersebut.
Dari gambar diatas, maka dapat disimpulkan jika bidang {111} dari FCC merupakan permukaan yang paling stabil karena mengandung energi permukaan yang paling kecil. Hal ini menyebabkan permukaan dari bahan kristalin nanopartikel cenderung tersusun dari bidang {111} seperti pada gambar berikut berupa gambar TEM dari nanopartikel emas yang membentuk faset
dengan bidang [111].
Secara umum dapat disimpulkan sifat dari nanomaterial yang berkaitan dengan atom permukaan adalah sebagai berikut: 1. Nanomaterial memiliki luas permukaan yang besar serta jumlah atom dipermukaan yang besar. 2. Memiliki energi permukaan dan tegangan permukaan yang tinggi. 3. Permukaan dari partikel kristalin dengan ukuran nano cenderung membentuk faset 4. Bidang faset cenderung tersusun dari bidang yang paling rapat. 5. Permukaan bersifat sangat reaktif dan mudah teroksidasi. 6. Perhatian perlu diberikan ketika menyimpan logam partikel nano karena bisa terjadi ledakan. 2. Efek Ukuran
Dalam skala nanometer, sifat baru dan fenomena unik dari bahan akan muncul. Hal ini diakibatkan karena ukuran dari nanomaterial menjadi komparabel dengan banyak parameter fisis seperti ukuran gelombang kuantum, mean free path, ukuran koherensi, dan domain dimensi yang kesemuanya menentukan sifat – sifat dari material. Dalam ilustrasi dibawah ini digambarkan perubahan suhu leleh dari logam emas yang merupakan fungsi dari ukuran partikelnya.
3. Efek Kuantum
Efek kuantum dapat dijelaskan dengan Teori Kubo, yang dideskripsikan dengan persamaan berikut.
Ketika perbedaan energi (delta E) lebih besar dari nilai k.T (maksimal internal energi dari sistem), maka akan banyak sifat yang ada pada bulk material yang hilang dan digantikan dengan sifat yang unik.
Pita energi yang kontinyu tergantikan oleh energi level yang terpisah jika ukuran partikel mendekati radius Bohr dari elektron dalam padatan hal ini dikenal dengan efek kuantum. Untuk nanomaterial, energi bandgap sangat sensitif terhadap morfologinya (ukuran, bentuk, defek) dan dari distribusi komposisinya. Dibawah ini diilustrasikan perubahan sifat optikal dari emas disebabkan perubahan ukuran.
Karakteristik Nanomaterial 2
Dalam pembahasan karakteristik nanopartikel awal telah disebutkan beberapa efek kunci yang terjadi pada reduksi ukuran benda sampai ke skala nano yaitu: efek permukaan, efek ukuran dan efek kuantum. Kombinasi dari efek – efek tersebut menimbulkan munculnya sifat fisis yang berbeda dari sifat yang dimiliki oleh bulk materialnya. Beberapa perubahan akan dicontohkan dibawah ini. 1. Perubahan struktur kristal. Misalkan pada senyawa Tantalum. Pada kondisi bulk Ta memiliki struktur kristal kubik, namun ketika ukuran diperkecil maka struktur kristal beralih ke tetragonal. Hal ini dibuktikan oleh hasil analisa menggunakan XRD seperti pada gambar dibawah ini.
2. Sifat termal Secara umum nanomaterial memiliki titik lebur yang lebih ren dah dan panas spesifik yang lebih tinggi dibanding sifat bulk -nya. Kemudian reduksi ukuran ke skala nano akan menurunkan suhu sintering dan suhu pengkristalan dikarenakan kandungan energi permukaannya yang tinggi.
3. Sifat Mekanik Kekerasan dan kekuatan dari bahan logam dan aloy berukuran nano dapat meningkat sampai dengan satu order diatas ukuran normalnya. Ketika bahan keramik direduksi sampai skala nano sifat duktilitasnya meningkat sangat signifikan.
4. Sifat Listrik Sifat konduktivitas cenderung mengalami pembalikan ketika terjadi reduksi ukuran. Nanokeramik dan nanokomposit memiliki kecenderungan menghantarkan listrik, sedangkan nanologam menjadi bersifat isolator. Contohnya Cu nanopartikel bersifat isolator sedangkan SiO2 nanopartikel bersifat penghantar listrik yang baik. 5. Sifat katalisis Nanomaterial cenderung memiliki aktivitas katalisis yang lebih baik. Hal ini disebabkan luas permukaan yang bertambah dan atom diujung – ujung permukaan semakin banyak mengakibatkan bertambahnya reaktivitas dari bahan. Dibawah ini dicontohkan data aktivitas dari logam emas untuk mengkatalis oksidasi CO dengan semakin mengecilnya ukuran partikel.
