Tugas Nanomaterial minggu ke-1
1. Jelaskan tentang pengertian dari “nanaomaterial” dan jelaskan jenis jenis sesuai dengan dimesinya. Jawab : Nanomaterial adalah bidang ilmu material dengan pendekatan berbasis Nanoteknologi. Nanoteknologi. Nanoteknologi adalah pembuatan dan penggunaan materi pada ukuran sangat kecil. Materi atau bahan ini berukuran antara (1 – 100) 100) nanometer. Satu nm sama dengan satu per-milyar meter (0.000000001 m), m), yang berarti 50.000 lebih kecil dari ukuran rambut manusia. Ukuran (1 – 100) 100) nm ini disebut juga dengan skala nano (nanoscale). Jadi, dapat disimpulkan bahwa nanomaterial itu adalah bahan atau material yg berukuran sangat kecil (skala nano) yaitu 1-100 nm. Berdasarkan dimensi, nanomaterial terbagi menjadi beberapa bagian di antara nya. a. Zero Dimension Contoh : molecules, Cluster, Fullerenes, Ring, metcarbs, thoroid, domens, Partices, Powders, Grain, schartzone. b. One Dimension Contoh : nanotube, fibers, filaments, whiskers, nanorods, nanowires, moleculer chain. c. Two Dimension Contoh : thin films ( Fullerene films, nanostraw, PhC, Fibers Films, layered Film.)
d. Three Dimension Contoh : Fullerites, Clahrates, powder skeletons, colloids, Composites in matrix, Powder-layers Composites, Particel in matrix, Composites of layers. 2. Jelaskan Konsep dan Jenis-Jenis Proses sintesis sintesis dari nanomaterial di bawah ini : Jawab : Top-Down Proses Dalam pendekatan top-down, pertama bulk material dihancurkan dan dihaluskan sedemikian rupa sampai berukuran nano meter. Pendekatan top-down dapat dilakukan dengan teknik MA-PM (mechanical alloying-powder metallurgy) dan atau MM-PM (mechanical milling-powder metallurgy), Dalam mekanisme mechanical alloying, material dihancurkan hingga menjadi bubuk dan dilanjutkan dengan penghalusan butiran partikelnya partikelnya sampai berukuran puluhan puluhan nanometer. nanometer. Kemudian, bubuk yang yang telah halus disinter hingga didapatkan material final. Contohnya nano baja diperoleh dari penghalusan bubuk besi dan karbon hingga berukuran 30 nm, dan disinter disi nter pada suhu 723°C pada tekanan 41 MPa dalam suasana gas nitrogen.
Teknik MM-PM (mechanical milling -powder metallurgy) ini dapat dilakukan dengan :
a. B all mi mi lling Teknologi ball milling yaitu menggunakan energi ener gi tumbukan antara bola-bola penghancur dann dinding wadahnya. Untuk mendapatkan partikel nano dalam dal am jumlah banyak dan dalam dalam waktu relatif pendek, dilakukan inovasi pada mesin ball mill, dengan merubah putaran mill menjadi berlintasan planet (planetary) di dalam wadahnya yang memiliki tuas pada kedua sisi, untuk mengatur sudut putaran yang optimal. Dan
distabilisasi dengan meng-gunakan larutan kimia seperti polyvinyl alcohol (PVA) atau polyethilene glycol (PEG) sehingga membentuk nanokoloid yang stabil.
b. Ultrasonic milling atau sonikasi Prosesnya dengan cara menggunakan gelombang ultrasonik dengan rentang frekuensi 20 kHz – 10 MHz. Gelombang ultrasonik ditembakkan ke dalam mediium cair untuk menghasilkan kavitasi bubble yang dapat membuat partikel memiliki diameter dalam skala nano. Gelombang ultrasonik bila berada di dalam medium cair akan dapat menimbulkan acoustic cavitation. Selama proses cavitation akan terjadi bubble collapse (ketidakstabilan gelembung), yaitu pecahnya gelombang akibat suara. Akibatnya akan terjadi peristiwa hotspot yang melibatkan energi yang sangat tinggi. Dimana hotspot adalah pemanasan lokal yang sangatintens sekitar 5000 K pada te kanan sekitar 1000 atm, laju pemanasan dan pendinginannya sekitar 1010 K/s. Bottom-Up
Dalam pendekatan bottom-up, material dibuat dengan menyusun dan mengontrol atom demi atom atau molekul demi molekul sehingga menjadi suatu bahan yang memenuhi suatu fungsi tertentu yang diinginkan. Sintesa nanomaterial dilaku-kan dengan mereaksikan berbagai larutan kimia dengan langkah-langkah tertentu yang spesifik sehingga terjadi suatu proses nukleasi yang meng-hasilkan nukleus-nukleus sebagai kandidat nanoparitikel setelah melalui proses pertumbuhan. Laju pertumbuhan nukleus dikendalikan sehingga menghasilkan nanopartikel dengan distribusi uku-ran yang relatif homogen. Pendekatan bottom up ini dapat dilakukan dengan Dekomposisi termal : a. Evaporasi Dekomposisi lapisan tipis dengan cara penguapan dan pengembunan yang dilakukan di ruang vakum. b. Sputtering Proses sputering adalah proses dengan cara penembakan bahan pelapis atau target dengan ion-ion berenergi tinggi sehingga terjadi pertukaran momentum. Proses sputtering mulai terjadi ketika dihasilkan lucutan listrik dan gas sputer secara listrik menjadi konduktif karena mengalami ionisasi. c. CVD (Chemical Vapour Deposition) Merupakan proses yang didasarkan pada hidrolisis dan polikondensasi dari prekusor yang dibentuk melalui metode dip coating atau spin coating . d. MOCVD (Metalorganic Chemical Vapour Deposition) Merupakan teknik deposisi uap kimia dengan metode pertumbuhan epitaksi pada material. Misalnya material semikonduktor yang berasal dari material met alorganik dan hidrida logam.
3. Jelaskan Konsep dan cara kerja dari teknik karakteristik nanomaterial di bawah ini. Jawab : a. XRD
X-ray diffraction merupakan teknik yang digunakan dalam karakteristik material untuk mendapatkan informasi tentang ukuran atom dari material kristal maupun nonkristal. Difraksi tergantung pada struktur kristal dan panjang gelombangnya. Metode difraksi sinar X digunakan untuk mengetahui struktur dari lapisan tipis yang terbentuk. Tahapan kerja X-ray diffraction (XRD) terdiri dari empat tahap, yaitu: produksi, difraksi, deteksi dan interpretasi. Untuk dapat melakukan fungsinya, Xray diffraction (XRD) dilengkapi oleh komponen-komponen penting seperti: tabung sinar-X, monochromator , detector dan lain-lain. 1) Produksi Pada tahap ini, elektron yang dihasilkan ketika filamen (katoda) dipanaskan akan dipercepat akibat perbedaan tegangan antara filamen (katoda) dan logam target (anoda) sehingga terjadi tumbukan dengan logam target. Tumbukan antara el ektron yang dipercepat tersebut dengan logam target akan menghasilkan radiasi sinar-X yang akan keluar dari tabung sinar-X dan berinteraksi dengan struktur kristal material yang diuji. 2) Difraksi Pada tahap ini, radiasi sinar-X yang telah dihasilkan oleh tabung sinar-X akan berinteraksi dengan struktur kristal material yang diuji. Material yang akan dianalisis struktur kristalnya harus berada dalam fasa padat karena dalam kondisi tersebut kedudukan atom-atomnya berada dalam susunan yang sangat teratur sehingga membentuk bidang bidang kristal. Ketika suatu berkas sinar-X diarahkan pada bidang-bidang kristal tersebut, maka akan timbul pola-pola difraksi ketika sinar-X melewati celah-celah kecil di antara bidang-bidang kristal tersebut. Pola-pola difraksi tersebut sebenarnya menyerupai pola gelap dan terang. Pola gelap terbentuk ketika terjadi interferensi destruktif, sedangkan pola terang terbentuk ketika terjadi interferensi konstruktif dari pantulan gelombang-gelombang sinar-X yang saling bertemu. Interferensi konstruktif te rsebut terjadi sesuai dengan Hukum Bragg berikut ini : n = 2d sin θ dimana : n = urutan difraksi; = panjang gelombang sinar-X; d = jarak antar bidang kristal; dan θ = sudut difraksi.
s 3) Deteksi Interferensi konstruktif radiasi sinar-X hasil difra ksi struktur kristal material yang diuji selanjutnya akan dideteksi oleh detektor. Agar detektor dapat mendeteksi interferensi konstruktif radiasi sinar-X hasil difraksi struktur kristal material yang diuji dengan tepat, maka posisinya harus berada tepat pada arah sudut pantul radiasi sinar-X tersebut. 4) Interprestasi Interferensi konstruktif radiasi sinar-X yang telah dideteksi oleh detektor selanjutnya akan diperkuat gelombangnya dengan menggunakan amplifier . Lalu interferensi konstruktif radiasi sinar-X tersebut akan terbaca secara spektroskopi sebagai puncak-
puncak grafik yang ditampilkan oleh layer komputer. Dengan menganalisis puncak-puncak grafik tersebut struktur kristal suatu material dapat diketahui. b. SEM (Scanning Electron Microscope) Mikroskop elektron merupakan alat yang menggunakan sinar elektron berenergi tinggi untuk menguji objek yang berukuran sangat kecil. Pengujian ini dapat memperoleh informasi mengenai topografi, morfologi, komposisi dan kristalografi. SEM adalah salah satu tipe mikroskop elektron yang mampu menghasilkan resolusi tinggi dari gambaran suatu permukaan sampel. Dilengkapi Dengan EDS ( Electron Dispersive X ray Spectroscopy) dan Dapat mendeteksi unsur-unsur dalam material. Prinsip kerja dari SEM : Cara terbentuknya gambar pada SEM berbeda dengan apa yang terjadi pada mikroskop optic dan TEM. Pada SEM, gambar dibuat berdasarkan deteksi elektron baru (elektron sekunder) atau elektron pantul yang muncul dari permukaan sampel ketika permukaan sampel tersebut dipindai dengan sinar elektron. Elektron sekunder atau elektron pantul yang terdeteksi selanjutnya diperkuat sinyalnya, kemudian besar amplitudonya ditampilkan dalam gradasi gelap-terang pada layar monitor CRT(cathode ray tube). Di layar CRT inilah gambar struktur obyek yang sudah diperbesar bisa dilihat. Pada proses operasinya, SEM tidak memerlukan sampel yang ditipiskan, sehingga bisa digunakan untuk melihat obyek dari sudut pandang 3 dimensi. c. Raman Spectrocopy Biasan Raman merupakan salah satu teknik pembiasan yang digunakan untuk identifikasi molekul. Prinsip biasan Raman yaitu sumber sinar dengan frekuensi tunggal berinteraksi dengan molekul dan mengubah awan elektron yang memutari nukleus untuk membentuk posisi short-lived atau dikenal sebagai virtual state. Keadaan ini tidak stabil sehingga foton akan sesegera mungkin diradiasikan kembali. d. TEM (Transmission electron microscope) TEM bekerja dengan prinsip menembakkan elektron kelapisan tipis sampel, yang selanjutnya informasi tentang komposisi struktur dalam sample tersebut dapat terdeteksi dari analisis sifat tumbukan, pantulan maupun fase sinar elektron yang menembus lapisan tipis tersebut. Dari sifat pantulan sinar elektron tersebut juga bisa diketahui struktur kristal maupun arah dari struktur kristal tersebut. Bahkan dari analisa lebih detail, bisa diketahui deretan struktur atom dan ada tidaknya cacat (defect) pada struktur tersebut 4. Carbon nanomaterial merupakan salah satu jenis dari nanomaterial yang paling banyak di teliti sekarang ini, Jelaskan jenis-jenis nanomaterial berbahan dasardasar karbon sesuai dengan susunan atom karbonnya dan bagaimana proses sintesisnya. a. Carbon nanotube. Karbon nanotub adalah komposisi senyawa karbon yang berbentuk tabung berukuran nano. CNT termasuk salah satu anggota struktural fulerena. Nama CNT berasal dari bentuknya yang panjang dan berlubang dengan dinding yang dibentuk oleh lembaran satu atom tebal karbon, disebut grafena. CNT dikategorikan sebagai CNT berdinding tunggal atau SWNTs dan CNT berdinding banyak (MWNTs). Sintesis karbon nanotube menggunakan metode sintesis arc discharge, laser ablation, chemical
vapor deposition (CVD) and high-pressure carbon monoxide disproportionation (HiPCO). b. Carbon nanodot (CNDs) Karbon nanodot merupakan partikel karbon yang memiliki diameter berukuran nano yaitu antara 1-10 nanometer. Ukuran karbon nanodots ini berada di antara ukuran molekul klaster dan karbon bulk. Sintesis karbon nanodots dapat diklasifikasikan pada dua kategori utama yaitu top-down dan bottom-up. Metode top-down contohnya yaitu sintesis melalui bubuk grafit atau multi-walled carbon nanotubes (MWCNTs) yang biasanya dilakukan pada kondisi fisik dan kimia yang ekstrem. Di sisi lain, molekul kecil seperti glukosa dan fruktosa digunakan untuk sintesis karbon nanodots secara bottom-up yang dilakukan dengan menambahkan energi eksternal seperti ultasonikasi, microwave pyrolisis, dan pemanasan. c. Graphene Graphene merupakan alotrop karbon yang berbentuk lembaran datar tipis di mana setiap atom karbon memiliki ikatan sp2 dan dikemas rapat dalam bentuk kisi kristal seperti sarang lebah. Ia dapat dilihat sebagai sebuah jaring-jaring berskala atom yang terdiri dari atom karbon beserta ikatannya. Ikatan karbon-karbon pada grafena adalah sekitar 0,142 nm. Sintesis graphene menggunakan teknik Pertumbuhan epitaksial, Reduksi Silikon Karbida, Reduksi Hidrazina. d. Fullerenes adalah salah satu dari benda-benda yang tergolong alotrop karbon, molekul yang tersusun seluruhnya dari karbon dalam bentuk bola berlubang, elipsoid, tabung, dan lain-lain. Fulerena berbentuk bola biasanya disebut buckyball, dan yang berbentuk silindris biasa disebut karbon nanotube. Sintesis Fullerenes menggunakan CVD (Chemical Vapour Deposition). 5. Jelaskan Penerapan dari teknologi nanomaterial di bidang.
