BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Nanopartikel Nanosains adalah

5
BAB 2 TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Nanopartikel
Nanosains adalah salah satu penelitian yang paling penting dalam ilmu
pengetahuan modern. Nanoteknologi merupakan ilmu yang mempelajari partikel
dalam rentang ukuran 1-1000 nm (Buzea, et al., 2007). Nanoteknologi mulai
memungkinkan para ilmuwan, ahli kimia dan dokter untuk bekerja di tingkat
molekuler dan sel untuk menghasilkan kemajuan penting di bidang ilmu pengetahuan
dan kesehatan. Penggunaan bahan nanopartikel menawarkan keuntungan besar
karena ukuran mereka yang unik dan sifat fisikokimia. Penelitian nanopartikel
sedang berkembang pesat karena dapat diaplikasikan secara luas seperti dalam
bidang lingkungan, elektronik, optis dan biomedis (Jain et al. 2006; Stern dan
McNeil, 2008).
Nanopartikel menjadi kajian yang sangat menarik, karena material yang berada
dalam ukuran nano biasanya memiliki partikel dengan sifat kimia atau fisika yang
lebih unggul dari material yang berukuran besar (bulk) (C. R. Vestal et al. 2004;
Guozhong, 2004). Dua hal utama yang membuat nanopartikel berbeda dengan
material sejenis dalam ukuran besar (bulk) yaitu:
1.
Karena ukurannya yang kecil, nanopartikel memiliki nilai perbandingan antara
luas permukaan dan volume yang lebih besar jika dibandingkan dengan partikel
sejenis dalam ukuran besar. Ini membuat nanopartikel bersifat lebih reaktif.
Reaktivitas material ditentukan oleh atom-atom di permukaan, karena hanya
atom-atom tersebut yang bersentuhan langsung dengan material lain;
2.
Ketika ukuran partikel menuju orde nanometer, maka hukum fisika yang berlaku
lebih didominasi oleh hukum- hukum fisika kuantum (Abdullah, M. et al. 2008).
Nanopartikel dapat terdiri dari bahan konstituen tunggal atau menjadi gabungan
dari beberapa bahan. Nanopartikel di alam sering ditemukan dengan bahan
aglomerasi dengan berbagai komposisi, sedangkan komposisi bahan murni tunggal
dapat dengan mudah disintesis dengan berbagai metode. Berdasarkan sifat kimia dan
elektromagnetik, nanopartikel dapat tersebar seperti aerosol, suspensi/koloid, atau
Universitas Sumatera Utara
6
dalam keadaan menggumpal. Sebagai contoh, nanopartikel magnetik cenderung
mengelompok, membentuk sebuah aglomerat, kecuali permukaan mereka dilapisi
dengan bahan non-magnetik dan dalam keadaan menggumpal, nanopartikel dapat
berperilaku sebagai partikel yang lebih besar, tergantung pada ukuran aglomerat
tersebut (Buzea et al. 2007).
Material berukuran nanometer memiliki sejumlah sifat kimia dan fisika yang
lebih unggul dari material berukuran besar. Disamping itu, material berukuran
nanometer memiliki sifat yang kaya karena menghasilkan sifat yang tidak dimiliki
oleh material ukuran besar. Sejumlah sifat tersebut dapat diubah- ubah dengan
melalui pengontrolan ukuran material, pengaturan komposisi kimiawi, modifikasi
permukaan dan pengontrolan interaksi antar partikel. Material nanopartikel adalah
material-material buatan manusia yang berskala nano, yaitu lebih kecil dari 100nm,
termasuk didalamnya nanodot, quantum dot, nanowire dan carbon nanotube
(Abdullah, M. et al., 2008).
Berikut merupakan beberapa keunggulan sifat material berorde nano secara umum :
1. Sifat Elektrik
Pengaruh size reduction pada sifat elektrik nanopartikel dapat meningkatkan
konduktivitas nanometals, membangkitkan konduktivitas nanodielektrik dan
meningkatkan induktansi dielektrik untuk ferroelectrics. Nanomaterial dapat
mempunyai energi lebih besar dari pada material ukuran biasa karena memiliki luas
permukaan yang besar. Energi band secara bertahap berubah terhadap orbital
molekul. Umumnya resistivitas elektrik mengalami kenaikan dengan berkurangnya
ukuran partikel.
Contoh aplikasi : energi densitas yang tinggi dari baterai, nanokristalin merupakan
material yang bagus untuk lapisan pemisah pada baterai karena dia dapat menyimpan
energi yang lebih banyak. Baterai logam nikel-hidrida terbuat dari nanokristalin nikel
dan logam hidrida yang membutuhkan sedikit recharging dan memiliki masa hidup
yang lama (Pokropivny,V. et al. 2007).
2. Sifat Optik
Sistem nanokristalin memiliki sifat optikal yang menarik, yang mana berbeda
dengan sifat kristal konvensional. Pengaruh size reduction pada sifat optik
nanopartikel dapat meningkatkan penyerapan (absorbansi) dalam jarak ultraviolet
(blue shift), osilasi penyerapan optic dan meningkatkan nilai band gap. Kunci
Universitas Sumatera Utara
7
peyumbang faktor masuknya quantum tertutup dari pembawa elektrikal pada
nanopartikel, energi yang efisien dan memungkinkan terjadinya pertukaran karena
jaraknya dalam skala nano serta memiliki sistem dengan interface yang tinggi.
Dengan perkembangan teknologi dari material mendukung perkembangan sifat
nanofotonik. Dengan sifat optik linear dan non linear material nano dapat dibuat
dengan mengontrol dimensi kristal dan surface kimia, teknologi pembuatan menjadi
faktor kunci untuk mengaplikasikan. Contoh aplikasi : pada optoelektronik.,
electrochromik untuk liquid crystal display (LCD) (Pokropivny,V. et al. 2007).
3. Sifat Magnetik
Kekuatan magnetik adalah ukuran tingkat kemagnetan. Pengaruh penurunan
ukuran butiran patikel (size reduction) dan kenaikan spesifik luas permukaan per
satuan volume partikel pada sifat magnetik ini dapat meningkatkan atau menurunkan
koersivitas magnet, menurunkan temperatur Curie, memiliki sifat paramagnetik atau
feromagnetik, membangkitkan temperatur maksimal
resistansi magnet
dan
meningkatkan permeability magnetik pada sifat ferromagnetik.
Contoh aplikasi : magnet nanokristalin yttrium-samarium-cobalt memiliki sifat
magnet yang luar biasa dengan luas permukaan yang besar. Aplikasinya pada mesin
kapal, instrumen ultra sensitiv dan magnetic resonance imaging (MRI) pada alat
diagnostic (Pokropivny,V. et al. 2007)
4. Sifat Mekanik
Pengaruh penurunan ukuran butiran patikel (size reduction) dari partikel pada
sifat mekanik dapat meningkatkan kekerasan (hardness), kekuatan (strength),
daktilitas (fracture ductility) dan ketahanan aus (wear resistance). Nanomaterial
memiliki kekerasan dan tahan gores yang lebih besar bila dibandingkan dengan
material dengan ukuran biasa. Contoh aplikasi : automobil dengan efisiensi greater
fuel. Nanomaterial diterapkan pada automobil sejak diketahui sifat kuat, keras dan
sangat tahan terhadap erosi, diharapkan dapat diterapkan pada busi (Pokropivny,V. et
al. 2007).
2.2
Pasir Besi
Pasir besi adalah mineral endapan / sedimen yang memiliki ukuran butir 0,074
– 0,075 mm, dengan ukuran kasar (5–3 mm) dan halus (< 1 mm). Perbedaan karakter
fisik kandungan mineral pasir seperti Fe, Ti, Mg dan SI mungkin terjadi disebabkan
Universitas Sumatera Utara
8
oleh perbedaan lokasi endapan. Mineral magnetik yang biasanya ditemukan di
daerah pantai atau sungai adalah magnetit (Fe3 O4 ). Senyawa magnetit ini berasal dari
senyawa variannya yaitu titanomagnetit (Fe3−x Tix O4 ) (Sunaryo dan Widyawidura,
2010).
Besi yang diperoleh dari bijih besi ditemukan dalam bentuk besi oksida.
Oksida logam ini ditemukan dalam dua fase di dalam pasir besi yaitu Fe2 O3 dan
Fe3 O4 yang berkontribusi dalam sifat kemagnetan. Fe2 O3 memiliki interaksi yang
lebih lemah di dalam medan magnet dibandingkan Fe3 O4 . Pasir besi ini lebih
dimanfaatkan dalam bidang material science dengan nilai ekonomi yang lebih tinggi
dan ramah lingkungan (Sunaryo dan Widyawidura, 2010)
Pasir besi umumnya terdiri dari mineral opak yang bercampur dengan butiranbutiran nonlogam seperti kuarsa, kalsit, feldspar, ampibol, piroksen, biotit dan
tourmalin. Mineral tersebut terdiri atas magnetit, titaniferous magnetit, ilmenit,
limonit dan hematite. Kandungan besi yang terdapat pada endapan pasir besi utama
adalah mineral tetanomagnetik dengan komposisi Fe 60%, Al 2O3 3,3%, SiO2 0,26%,
P2O5 0,55%, TiO2 9,2% dan MgO 0,6%. Biji besi dalam bentuk endapan pasir besi
dengan kadar Fe sekitar 38 – 59% n (Putra et al., 2008).
Pasir besi dapat dimanfaatkan dalam industri baja karena pasir besi banyak
mengandung besi (Fe) sebagai bahan baku pembuatan baja. Pasir besi juga banyak
mengandung mineral-mineral magnetik seperti magnetit (Fe3 O4 ), hematit (α –
Fe2 O3 ) dan maghemit (ɣ-Fe2 O3 ) sehingga pasir besi dapat digunakan di dalam
industri lain. Magnetit dapat digunakan sebagai bahan dasar pembuatan tinta kering /
toner yang biasa digunakan di dalam mesin fotokopi dan printer laser. Maghemit
adalah bahan utama pembuatan pita kaset. Ketiga mineral tersebut juga dapat
digunakan dalam industri pembuatan magnet permanen (Yulianto et al., 2002).
2.3
Nanopartikel Magnetik ( 𝐌𝐠𝐅𝐞𝟐 𝐎𝟒)
Bahan magnetik adalah salah satu bahan yang diketahui memiliki kualitas baik
dan telah diteliti secara intensif tahun ini dari sudut pandang ilmiah murni karena
memiliki sifat listrik dan optik yang unik. (V.L. Mathe, et al. 2008). Sifat
nanopartikel magnetik ditentukan oleh banyak faktor, diantaranya adalah komposisi
kimia, ukuran dan bentuk partikel, morfologi, interaksi partikel dengan matriks dan
Universitas Sumatera Utara
9
partikel disekitarnya. Dengan mengubah ukuran, bentuk, komposisi dan struktur
nanopartikel, sifat magnetik material dapat dikontrol (S, Gubin. 2009).
Saat ini banyak dikembangkan penelitian tentang nanopartikel ferit spinel, hal
ini dikarenakan bidang aplikasinya yang sangat luas yaitu dalam sistem penyimpanan
data, transformator, memori komputer, induktor, recording heads, microwave dan
diagnosa medis. Sifat bahan ini mempunyai permeabilitas dan hambatan jenis yang
tinggi, koersivitas yang rendah. Nanopartikel ferit spinel merupakan ferit lunak yang
mempunyai struktur kristal kubik (Hermawan, 2015).
MgFe2 O4 adalah material magnetik yang halus dan salah satu kelompok
spinel invers yang sangat penting. Beberapa alasan yang menyebabkan MgFe2 O4
banyak menarik perhatian para peneliti dibandingkan ferrite yang lainnya adalah
potensinya yang besar untuk di aplikasikan karena MgFe2 O4 memiliki nilai
magnetisasi saturasi yang tinggi, Suhu Curie dan tahanan listrik yang tinggi.
( Thant et al. 2010 )
MgFe2 O4 juga merupakan material semikonduktor tipe n yang dapat
diaplikasikan sebagai adsorbsi, sensor dan digunakan pada teknologi magnetik. Hal
lain yang menarik dari MgFe2 O4 ini adalah sifat kimia dan stabilitas termalnya yang
unik, serta ketergantungan sifat magnetik pada ukuran partikel. Diantara senyawa
spinel ferrite, superparamagnetik nanopartikel magnesium ferit telah dipelajari secara
luas, karena fitur unik nanopartikel magnetik dan memiliki relevansi yang besar
untuk teknologi modern termasuk resonansi agen kontras gambar, penyimpanan
informasi data seumur hidup dalam kerapatan yang tinggi (Chen, Q, et al. 1999).
Magnesium ferit adalah magnetik bi-oksida berbahan material keramik dengan
struktur spinel sebagian terbalik, sehingga distribusi kation di dalamnya dapat
diwakilkan. ( Dalt, dat, S et al,. 2011). Spinel magnesium ferit memiliki banyak sifat
menarik seperti aktivitas katalik yang tinggi, permeabilitas magnetik yang tinggi,
kelembaman dan karakteristik gas penginderaan. Selain itu, magnesium ferit
memiliki resistivitas yang tinggi, suhu Curie yang tinggi dan stabilitas yang
membuatnya menjadi kandidat baik untuk berbagai aplikasi penginderaan ( Oliver, et
al. 1995; Busca, G et al. 1996).
Nanopartikel MgFe2 O4
juga dapat berperilaku sebagai nanopartikel
superparamagnetik. Ketika medan magnet eksternalnya dihilangkan, maka jumlahan
Universitas Sumatera Utara
10
momen magnetik dari nano partikel magnetik masing-masing berada dalam arah
yang berbeda, dengan demikian keseluruhan momen magnetik bulk adalah nol
(Hermawan, 2015).
Tabel 1. Sifat fisika dan kimia Magnesium Ferit (MgFe2 O4 )
Sifat Fisika
Sifat Kimia
1. Fase berupa padatan
2. Warna kecoklatan, hitam
3. Densitas : 4,6 - 4,7 𝑔/𝑐𝑚3
4. Kilau : Metalik
5. Struktur Kristal : Invers spinel
6. Loss tangent yang rendah
7. Bahan dielektrik yang sangat baik
8. Nilai magnetisasi saturasi yang
tinggi
9. Suhu Curie yang tinggi
10. Permeabilitas yang tinggi
11. Resistivitas listrik yang tinggi
1. Rumus Kimia : MgFe2 O4
2. Rumus Empiris : MgFe3+2O4
3. Unsur yang terkandung : Mg, Fe, O
Sumber : Hyeon. 2002, Agung. 2015, www.mineraldata.com
2.4
Metode Kopresipitasi
Kopresipitasi merupakan proses kimia dalam mensintesis senyawa anorganik
yang didasarkan pada pengendapan lebih dari satu substansi secara bersama–sama
ketika melewati titik jenuh. Proses diawali dengan adanya zat terlarut yang
mengendap sehingga menghasilkan endapan yang diinginkan. Pengendapan terjadi
sebagai akibat pembentukan kristal campuran. Selain itu endapan ini dapat pula
terbentuk karena adanya absorbsi (penyerapan) ion-ion selama proses pengendapan
(Nugroho, 2010; Pokropivny,V. et al. 2007).
Metode
kopresipitasi
merupakan
metode
yang
menjanjikan
karena
prosedurnya yang relatif sederhana dan menghasilkan distribusi ukuran butir yang
relatif sempit. Selain itu, metode ini juga dapat dilakukan pada kondisi lingkungan
normal. Dengan menggunakan metode ini, struktur kristal dan sifat magnetik dari
sampel yang disintesis dapat dioptimalkan dengan mengontrol parameter-parameter
sintesis seperti suhu, bahan pelarut, pH larutan, kecepatan pengadukan, lama
pengadukan, konsentrasi garam logam, konsentrasi kopresipitan dan konsentrasi
surfaktan (Salavati, 2009; Kadi, M.W. 2014)
Universitas Sumatera Utara
11
Adsorbsi permukaan merupakan suatu proses yang terjadi ketika suatu fluida,
cairan maupun gas, terikat kepada suatu padatan atau cairan (adsorben) dan akhirnya
membentuk suatu adsorbat pada permukaannya, umumnya akan paling besar pada
endapan yang mirip gelatin dan paling sedikit pada endapan dengan sifat makrokristalin yang menonjol. Pada saat endapan terbentuk, langkah selanjutnya dalam
proses
ini
adalah
meningkatkan
kemurnian
dari
endapan
dengan
cara
menyaringendapan, melarutkannya lagi dan mengendapkan lagi secara berulangulang.Hal ini dilakukan agar terjadi dekomposisi ion-ion yang terikat oleh larutan
pengikat (larutan basa) sedangkan ion-ion yang tidak terikat oleh larutan pengikat
akan bereaksi membentuk produk/hasil reaksi. Kopresipitasi memiliki reaksi fisik
dan kimia yang dapat dilihat pada tabel 2 (Sholihah, 2010; Fernandez, 2011).
Tabel 2. Reaksi fisik dan kimia dari metode kopresipitasi
Sifat Fisik
Sifat Kimia
o
Suhu reaksi yang diperlukan , 100 C
Proses Kopresipitasi akan
meningkatkan pH
Pada kopresipitasi dilakukan
Kopresipitasi dilakukan pada larutan
pengadukan secara terus menerus agar
encer agar memudahkan proses
larutan homogeny
Penyaringan
Memiliki ukuran partikel hasil sintetis
Meningkatkan homogenitas dengan
lebih kecil daripada metode sol state
penambahan larutan pengendap.
dan lebih besar daripada metode sol gel
Sumber : Sholilah, 2010, Fernandez, 2011
Produk dari metode ini diharapkan memiliki ukuran partikel yang lebih kecil
dan lebih homogen daripada metoda solid state dan ukuran partikel yang lebih besar
dari pada metoda sol-gel. Bila suatu endapan memisah dari dalam suatu larutan,
endapan itu tidak selalu sempurna murninya, kemungkinan mengandung berbagai
jumlah zat pengotor, bergantung pada sifat endapan dan kondisi pengendapan.
Kontaminasi endapan oleh zat-zat yang secara normal larut dalam cairan induk
dinamakan kopresipitasi. Kita harus membedakan dua jenis kopresipitasi yang
penting. Yang pertama adalah yang berkaitan dengan adsorpsi pada permukaan
partikel yang terkena larutan dan yang kedua adalah yang sehubungan dengan oklusi
Universitas Sumatera Utara
12
zat asing sewaktu proses pertumbuhan kristal dari partikel-partikel primer (Sholihah,
2010; Fernandez, 2011).
Bila suatu endapan memisah dari suatu larutan, endapan itu tidak selalu
sempurna murninya, kemungkinan mengandung berbagai jumlah zat pengotor,
bergantung pada sifat endapan dan kondisi endapan pengendapan. Kontaminasi
endapan oleh zat-zat yang secara normal larut dalam cairan induk dinamakan
kopresipitasi. Mengenai adsorpsi permukaan (adsorpsi adalah suatu proses yang
terjadi ketika suatu fluida, cairan maupun gas, terikat kepada suatu padatan atau
cairan (adsorben) dan akhirnya membentuk suatu lapisan tipis (adsorbat) pada
permukaannya), umumnya akan paling besar pada endapan yang mirip gelatin dan
paling sedikit endapan dengan sifat makro-kristalin yang menonjol. Endapan dengan
kisi-kisi ionik nampak mengikuti aturan adsorpsi Paneth-Fajans-Hahn, yang
menyatakan bahwa ion yang membentuk garam yang paling sedikit larut. Maka pada
sulfat yang sedikit larut, ion kalsium lebih utama diadsorpsi ketimbang ion
magnesium, karena kalsium sulfat kurang larut ketimbang magnesium sulfat. Juga
perak ionida mengadsorpsi perak asetat jauh lebih kuat disbanding perak nitrat pada
kondisi-kondisi yang sebanding, karena kelarutan perak asetat lebih rendah.
Deformabilitas (mudah diubah bentuknya) ion-ion yang diadsorpsi dan disosiasi
elektrolit dari senyawaan yang diadsorpsi juga mempunyai pengaruh yang sangat
besar, semakin kecil disosiasi senyawa maka semakin besar teradsorpsinya.
Jenis kopresipitasi yang kedua terjadi sewaktu endapan dibangun dari
partikel-partikel primernya. Partikel primer ini akan mengalami adsorpsi permukaan
sampai tingkat tertentu dan sewaktu partikel-partikel ini saling bergabung, zat
pengotor itu akan hilang sebagian jika terbentuk kristal-kristal tunggal yang besar
dan prosesnya berlangsung lambat, atau jika saling bergabung itu cepat mungkin
dihasilkan kristal-kristal besar yang tersusun dari kristal-kristal kecil yang terikat
lemah, dan sebagian pengotor mungkin terbawa masuk kebalik dinding kristal besar.
Jika zat pengotor ini isomorf atau membentuk larutan-padat dengan endapan, jumlah
kopresipitasi
kemungkinan
akan
sangat
banyak,
karena
tidak
akan
ada
kecenderungan untuk menyisihkan zat pengotor sewaktu proses pematangan.
Pascapresipitasi (postpresipitasi) adalah pengendapan yang terjadi diatas
permukaan endapan pertama sesudah terbentuk. Ini terjadi pada zat-zat yang sedikit
Universitas Sumatera Utara
13
larut, yang membentuk larutan lewat-jenuh, zat-zat ini umumnya mempunyai satu
ion yang sama dengan salah satu ion endapan primer (endapan pertama). Maka pada
pengendapan kalsium sebagai oksalat dengan adanya magnesium, magnesium
oksalat berangsur-angsur memisah dari larutan dan mengendap diatas kalsium
oksalat, makin lama endapan dibiarkan bersentuhan dengan larutan itu, maka makin
besar sesatan yang ditimbulkan oleh penyebab ini (Negara, dkk. 2008).
2.5
Pengertian Magnet
Magnet adalah suatu materi yang mempunyai suatu medan magnet. Magnet
juga merupakan material maju yang sangat penting untuk beragam aplikasi teknologi
canggih, berfungsi sebagai komponen pengubah energi gerak menjadi listrik dan
sebaliknya, seperti: otomotif, elektronik dan energi (Collocott, S.J. et al. 2007).
Magnet merupakan suatu fenomena yang sangat menarik untuk dikaji, karena
pada material magnet dapat ditarik atau ditolak tanpa adanya sentuhan secara
langsung. Hal tersebut sudah diketahui sejak ratusan tahun yang lalu. Akan tetapi
mekanisme dan prinsip yang mendasarinya mulai dimengerti secara ilmiah pada abad
ke 18, yaitu oleh fisikawan belanda Hans Cristian Oersted membuat suatu
eksperimen yang menerangkan adanya efek-efek magnet yang dialiri arus listrik
(Muklisin, 2013).
Magnet dapat menarik benda lain, beberapa benda bahkan tertarik lebih kuat
dari yang lain, yaitu bahan logam. Namun tidak semua logam mempunyai daya tarik
yang sama terhadap magnet. Besi dan baja adalah dua contoh materi yang
mempunyai daya tarik yang tinggi oleh magnet. Sedangkan oksigen cair adalah
contoh materi yang mempunyai daya tarik yang rendah oleh magnet. Satuan
intensitas magnet menurut sistem metrik Satuan Internasional (SI) adalah Tesla dan
SI unit untuk total fluks magnetik adalah weber (1 weber/m2 = 1 tesla) yang
mempengaruhi luasan satu meter persegi (Afza, 2011).
2.6 Sifat Kemagnetan Bahan
2.6.1 Ferromagnetik
Ferromagnetik merupakan bahan yang memiliki nilai suseptibilitas magnetik
positif yang sangat tinggi. Dalam bahan ini sejumlah kecil medan magnetik luar
dapat menyebabkan derajat penyearahan yang tinggi pada momen dipol magnetik
Universitas Sumatera Utara
14
atomnya. Dalam beberapa kasus, penyearahan ini dapat bertahan sekalipun medan
kemagnetannya telah hilang. Hal ini terjadi karena momen dipol magnetik atom dari
bahan-bahan ferromagnetik ini mengarahkan gaya-gaya yang kuat pada atom di
sebelahnya. Sehingga dalam daerah ruang yang sempit, momen ini disearahkan satu
sama lain sekalipun medan luarnya tidak ada lagi. Daerah ruang tempat momen dipol
magnetik yang disearahkan ini disebut daerah magnetik. Dalam daerah ini, semua
momen magnetik disearahkan, tetapi arah penyearahnya beragam dari daerah
sehingga momen magnetik total dari kepingan mikroskopi bahan ferromagnetik ini
adalah nol dalam keadaan normal (Tipler, 2001).
Gambar 1. Momen magnetik Ferromagnetik
2.6.2
Anti Ferromagnetik
Bahan anti ferromagnetik adalah suatu bahan yang memiliki suseptibilitas
positif yang kecil pada segala temperatur, tetapi perubahan suscepbilitas karena
tempratur adalah keadaan yang sangat khusus. Susunan dwikutubnya adalah sejajar
tetapi berlawanan arah, diperlihatkan pada Gambar 2
Gambar 2. Momen magnetik anti Ferromagnetik
2.6.3
Ferrimagnetik
Pada bahan yang bersifat dipol yang berdekatan memiliki arah yang
berlawanan tetapi momen magnetiknya tidak sama besar. Bahan ferrimagnetik
memiliki nilai susepbilitas tinggi tetapi lebih rendah dari bahan ferromagnetik,
beberapa contoh dari bahan ferrimagnetik adalah ferrite dan magnetite (Mujiman,
2004).
Universitas Sumatera Utara
15
Gambar 3. Momen magnetik Ferrimagnetik
2.6.4
Paramagnetik
Bahan paramagnetik adalah bahan-bahan yang memiliki suseptibilitas
magnetik Xm yang positif dan sangat kecil. Paramagnetik muncul dalam bahan
atom-atomnya memiliki momen magnetik hermanen yang berinteraksi satu sama lain
secara sangat lemah. Apabila tidak terdapat medan magnetik luar, momen magnetik
ini akan berorientasi acak. Dengan adanya medan magnetik luar, momen magnetik
ini arahnya cenderung sejajar dengan medannya, tetapi ini dilawan oleh
kecenderungan
momen
untuk
berorientasi
acak
akibat
gerak
termalnya.
Perbandingan momen yang menyearahkan dengan medan ini bergantung pada
kekuatan medan pada temperatur yang sangat rendah, hampir seluruh momen akan
disearahkan dengan medannya ( Tipler, 2001).
Gambar 4. Momen magnetik Paramagnetik
2.6.5
Diamagnetik
Bahan diamagnetik merupakan bahan yang memiliki nilai suseptibilitas
negatif dan sangat kecil. Sifat diamagnetik ditemukan oleh faraday pada tahun 1846
ketika sekeping bismuth ditolak oleh kedua kutub magnet, hal ini memperlihatkan
bahwa medan induksi dari magnet tersebut menginduksi momen magnetik pada
bismuth pada arah berlawanan dengan medan induksi pada magnet (Tipler, 2001).
2.7.
Histerisis Magnet
Magnet biasanya dibagi atas dua kelompok yaitu: magnet lunak dan magnet
keras. Magnet keras dapat menarik bahan lain yang bersifat magnet. Selain itu sifat
kemagnetannya dapat dianggap cukup kekal. Magnet lunak dapat bersifat magnetik
dan dapat menarik magnet lainnya. Namun, hanya memiliki sifat magnet apabila
berada dalam medan magnet dan sifat kemagnetannya tidak kekal. Perbedaan antara
magnet permanen atau magnet keras dan magnet lunak dapat dilakukan dengan
Universitas Sumatera Utara
16
menggunakan loop histerisis yang telah dikenal seperti pada gambar 5.
Bila bahan magnet berada dalam medan magnet, H, “garis gaya yang
berdekatan” akan tertarik ke dalam bahan sehingga rapat fluks meningkat. Dikatakan
bahwa, induksi magnet, B meningkat. Dengan sendirinya, jumlah induksi tergantung
pada medan magnet dan jenis bahan. Pada contoh Gambar 5, rasio B/H tidak linear,
terjadi lompatan induksi mencapai level yang tinggi, kemudian rasio tersebut hampir
konstan dalam medan yang lebih kuat.
(a)
(b)
(c)
Gambar 5. Kurva Magnetisasi
a. Induksi awal (B) versus medan magnet (H).
b. Loop histerisis (magnet lunak).
c. Loop histerisis (magnet keras). (Van Vlack, 1984)
Baik induksi remanen (rapat fluks) dan medan koersif, B dan –HC masingmasing, besar untuk magnet keras. Hasil perkalian BH merupakan patokan untuk
energi demagnetisasi. Pada magnet lunak, terjadi penurunan kembali yang hampir
sempurna jika medan magnet ditiadakan.
Medan magnet bolak-balik akan menghasilkan kurva simetris dikuadran
ketiga. Kurva histeris magnet permanen sangat berbeda. Bila medan magnet
ditiadakan, induksi tersisa akan menghasilkan induksi remanen Br. Medan yang
berlawanan yang disebut medan koersif, -Hc, diperlukan sebelum induksi turun
menjadi nol. Sama dengan medan lunak, loop tertutup dari magnet memiliki simetri
180o. Karena hasil kali medan magnet (A/m) dan induksi (V.det/m 2) merupakan
Universitas Sumatera Utara
17
energy per satuan volume (J/m3) disebut dengan energy produk maksimum (BH)max,
luas daerah hasil integrasi di dalam loop histerisis adalah sama dengan energi yang
diperlukan untuk siklus magnetisasi mulai dari 0 sampai +H hingga – H sampai 0.
Energi yang dibutuhkan magnet lunak dapat diabaikan, magnet keras memerlukan
energi lebih banyak sehingga kondisi - ruang, demagnetisasi dapat diabaikan.
Dikatakan dengan magnetisasi permanen.
Magnet permanen dapat diberi indeks berdasarkan medan koersif yang
diperlukan untuk menghilangkan induksi. Patokan ukuran yang lebih baik adalah
hasil kali BH. Hasil kali BH maksimum lebih sering digunakan karena merupakan
barier energi kritis yang harus dilampaui. Magnet lunak merupakan pilihan tepat
untuk penggunaan pada arus bolak-balik atau frekuensi tinggi, karena harus
mengalami magnetisasi dan demagnetisasi berulang kali selama selang satu detik.
Spesifikasi yang agak kritis untuk magnet lunak adalah induksi jenuh (tinggi), medan
koersif (rendah), dan permeabilitas maksimum (tinggi) (Van Vlack, 1984).
2.8
Karakterisasi
2.8.1
True Density ( Densitas )
Densitas (𝜌) adalah suatu ukuran massa (m) persatuan volume (V) suatu
material dalam satuan /𝑐𝑚3 . Beberapa faktor yang mempengaruhi densitas adalah
ukuran dan berat atom suatu elemen, kuatnya pengepakan atom dalam struktur
kristal, dan besarnya porositas dalam mikrostruktur (Mujiman, 2004).
𝜌=
𝑚
(2.1)
𝑉
Dengan :
𝜌
= Densitas (𝑔/𝑐𝑚3 )
𝑚
= Massa (𝑔)
𝑉
= Volume(𝑐𝑚3 )
Ada dua macam densitas yaitu: true density dan bulk density (metode
Archimedes). True density adalah kerapatan dari serbuk yang diukur dengan
menggunakan piknometer. Densitas serbuk dapat dihitung dengan rumus:
𝜌=
𝑚3 − 𝑚1
𝑚 2 − 𝑚 1 − ( 𝑚 4 −𝑚 3 )
𝑥 𝜌𝑐𝑎𝑖𝑟𝑎𝑛
(2.2)
dengan :
Universitas Sumatera Utara
18
𝑚1
= massa piknometer kosong (g)
𝑚2
= massa piknometer + aquades (g)
𝑚3
= massa piknometer + serbuk (g)
𝑚4
= massa piknometer + serbuk + aquades (g)
𝜌 media cair
2.8.2
= Nilai massa jenis cairan yang digunakan (g)
Optical Microscope (OM)
Optical Microscope (OM) mempunyai fungsi yang hampir sama dengan
Scanning Electron Microscope (SEM) yaitu untuk mengetahui bentuk dan ukuran
dari butir-butir serta mengetahui interaksi satu butir dengan butir lainnya. Melalui
observasi dengan OM dapat diamati seberapa jauh ikatan butiran yang satu dengan
yang lainnya dan apakah terbentuk lapisan di antara butiran atau disebut grain
boundary.
Adapun perbedaan antara SEM dan OM adalah terletak pada perbesaran
obyek (resolusi) yang lebih tinggi daripada mikroskop optik. Sebenarnya, dalam
fungsi perbesaran obyek, SEM juga menggunakan lensa, namun bukan berasal dari
jenis gelas sebagaimana pada mikroskop optik, tetapi dari jenis magnet. Sifat medan
magnet ini bisa mengontrol dan mempengaruhi elektron yang melaluinya, sehingga
bisa berfungsi menggantikan sifat lensa pada mikroskop optik (Tabitaria, 2015).
2.8.3
X-Ray Diffraction (XRD)
Sinar X merupakan gelombang elektromagnetik yang dapat digunakan untuk
mengetahui struktur kristal dan fasa suatu material. Bila sinar x dengan panjang
gelombang λ diarahkan kesuatu permukaan kristal dengan sudut datang, maka
sebagian sinar dihamburkan oleh bidang atom dalam kristal. Berkas sinar x yang
dihamburkan dalam arah-arah tertentu akan menghasilkan puncak-puncak difraksi
yang dapat diamati dengan peralatan X-Ray Diffraction (Cullity, 1978).
Fenomena interaksi dan difraksi sudah dikenal pada ilmu optik. Standart pengujian
laboratorium fisika adalah untuk menentukan jarak antara dua gelombang dengan
mengetahui panjang gelombang sinar, dengan mengukur sudut berkas sinar yang
terdifraksi. Pengujian ini merupakan aplikasi langsung dari pemakaian sinar-X untuk
menentukan jarak antar atom adalam kristal.
Universitas Sumatera Utara
19
Gambar 6. Difraksi bidang atom
Gambar 6 menunjukkan suatu berkas sinar X dengan panjang gelombang λ, jatuh
pada sudut θ pada sekumpulan bidang atom berjarak d. Sinar yang dipantulkan
dengan sudut θ hanya dapat terlihat jika berkas dari setiap bidang yang berdekatan
dan menempuhkan jarak sesuai dengan perbedaan kisi yaitu sama dengan panjang
gelombang n λ. Menurut syarat terjadinya difraksi, beda lintasan merupakan
kelipatan bilangan bulat dari panjang, sehingga hal tersebut dirumuskan W.L.Brag
𝑛𝜆 = 2𝑑 𝑠𝑖𝑛 𝜃
(2.3)
dengan :
n
= orde difraksi (n = bilangan bulat 1,2,3…)
λ
= panjang gelombang sinar-X (mm)
d
= jarak antar bidang (mm)
𝜃
= sudut difraksi (o)
Untuk mengetahui fasa dan struktur material yang diamati dapat dilakukan
dengan cara sederhana, yaitu dengan cara membandingkan nilai d yang terukur
dengan nilai d pada data standart. Data d standart dapat diperoleh melalui Joint
Commitee On Powder Difraction Standart (JCPDS) atau dengan metode Hanawalt
file.
Derajat kristalinitas yaitu besaran yang menyatakan banyaknya kandungan
kristal dalam suatu material dengan membandingkan luasan kurva kristal dengan
total luasan amorf dan kristalit. Derajat kristalinitas dihitung menggunakan
parameter Full Width at Half Maximum (FWHM) (Nurmawati, 2007).
Untuk perhitungan ukuran kristal digunakan persamaan Scherrer, yaitu :
Universitas Sumatera Utara
20
𝐷=
𝐾𝜆
𝐵 cos 𝜃
(2.4)
Dimana D merupakan diameter rata-rata, K merupakan faktor keadaan, B merupakan
perluasan full width at half maximum (FWHM) puncak difraksi yang dihitung dalam
radian, dan 𝜆 merupakan panjang gelombang sinar-x dan 𝜃 merupakan sudut difraksi
Bragg (Skoog, 1998).
2.8.4 Vibrating Sampel Magnetometer (VSM)
Semua bahan mempunyai momen magnetik jika ditempatkan dalam medan
magnetik. Momen magnetik per satuan volume dikenal sebagai magnetisasi. Secara
prinsip ada dua metoda untuk mengukur besar magnetisasi ini, yaitu metoda induksi
(induction method) dan metoda gaya (force method). Pada metoda induksi,
magnetisasi diukur dari sinyal yang ditimbulkan / diinduksikan oleh cuplikan yang
bergetar dalam lingkungan medan magnet pada sepasang kumparan. Sedangkan pada
metoda gaya pengukuran dilakukan pada besamya gaya yang ditimbulkan pada
cuplikan yang berada dalam gradien medan magnet.
VSM (Vibrating Sample Magnetometer) merupakan salah satu alat ukur
magnetisasi yang bekerja berdasarkan metoda induksi. Pada metoda ini, cuplikan
yang akan diukur magnetisasinya dipasang pada ujung bawah batang kaku yang
bergetar secara vertikal dalam lingkungan medan magnet luar H. Jika cuplikan
termagnetisasi, secara permanen ataupun sebagai respon dari adanya medan magnet
luar, getaran ini alan mengakibatkan perubahan garis gaya magnetik. Perubahan ini
akan menginduksikan/ menimbulkan suatu sinyal tegangan AC pada kumparan
pengambil (pick-up coil atau sense coil) yang ditempatkan secara tepat dalam sistem
medan magnet ini.
Selanjutnya sinyal AC ini akan dibaca oleh rangkaian pre-amp dan Lock-in
amplifier. Frekuensi dari Lock-in amplifier diset sarna dengan frekuensi getaran
sinyal referensi dari pengontrol getaran cuplikan. Lock in amplifier ini akan
membaca sinyal tegangan dari kumparan yang sefasa dengan sinyal referensi.
Kumparan pengambil biasanya dirangkai berpasangan dengan kondisi arah lilitan
yang berlawanan. Hal ini untuk menghindari terbacanya sinyal yang berasal dari
selain cuplikan, misalnya dari akibat adanya perubahan medan magnet luar itu
sendiri. Selanjutnya dalam proses pengukuran, medan magnet luar yang diberikan,
Universitas Sumatera Utara
21
suhu cuplikan, sudut dan interval waktu pengukuran dapat divariasikan melalui
kendali komputer. Komputer akan merekam data tegangan kumparan sebagai fungsi
medan magnet luar, suhu, sudut ataupun waktu (Mujamilah dkk. 2000).
2.8.5
Atomic Adsorption Spectrophotometric (AAS)
Adsorpsi adalah suatu peristiwa fisik yang terjadi pada permukaan suatu
padatan. Adsorpsi terjadi jika gaya tarik-menarik antara zat terlarut dengan
permukaan penyerap dapat mengatasi gaya tarik-menarik antara pelarut dengan
permukaan penyerap (Oscik, 1982). Zat atau molekul yang terserap ke permukaan
disebut adsorbat, sedangkan zat atau molekul yang menyerap disebut adsorben
(Sukardjo, 1985).
AAS (Atomic Absorption Spectroscopy) dalam kimia analitik dapat diartikan
sebagai suatu teknik untuk menentukan konsentrasi unsur logam tertentu dalam suatu
cuplikan. Teknik pengukuran ini dapat digunakan untuk menganalisis konsentrasi
lebih dari 62 jenis unsure logam.
Teknik Spektrofotometer Serapan Atom (SSA) dikembangkan oleh suatu tim
peneliti kimia Australia pada tahun 1950-an, yang dipimpin oleh Alan Walsh, di
CSIRO (Commonwealth Science and Industry Research Organization) bagian kimia
fisik di Melbourne, Australia. Unsur-unsur dalam cuplikan diidentifikasikan dengan
sensitivitas dan limit deteksi pada teknik pengukuran ini dapat mencapai < 1 mg/L (1
ppm) bila menggunakan lampu nyala biasa dan dapat dicapai sampai 0,1 ppm dengan
menggunakan prosedur SSA yang lebih canggih.
Dalam spektroskopi atomik, faktor-faktor yang dapat menyebabkan pelebaran
garsi spectra merupakan suatu masalah dalam sistem analisis metode ini. Dua hal
yang paling sering menimbulkan problem ini adalah pelebaran efek Doppler
(Doppler Boardening) dan pelebaran tekanan (Pressure Boardening) (Kumala Sari,
2001).
2.8.6 Field Emission Scaning Electron Microscopy (FE-SEM)
FE-SEM adalah alat yang sangat berguna untuk pencitraan permukaan
beresolusi tinggi di bidang nanomaterial. Pengujian FE-SEM juga dilakukan untuk
menguji penumbuhan nanopartikel pada bahan dengan menggunakan imbasan
electron mikroskop emisi medan. Cara kerja FE-SEM adalah menggunakan sinar
Universitas Sumatera Utara
22
elektron yang dipercepat dengan anoda dan difokuskan menuju sampel. Sinar
elektron yang terfokus memindai keseluruhan sampel dengan diarahkan oleh koil
pemindai. Ketika elektron mengenai sampel maka sampel akan mengeluarkan
elektron baru yang akan diterima oleh detektor dan dikirim ke monitor. Intensitas
elektron baru ini tergantung pada nomor atom unsur yang ada pada permukaan
spesimen. Mikroskop elektron mampu mencapai resolusi yaitu sekitar 10 -1 – 10-2 nm.
Dengan menggunakan elektron kita juga bisa mendapatkan beberapa jenis pantulan
yang berguna untuk kepentingan karakterisasi. Jika elektron mengenai suatu benda
maka akan timbul dua jenis pantulan yaitu pantulan elastis dan pantulan non elastis.
Elektron dihasilkan dari katoda (electroda gun) melalui efek foto listrik dan
dipercepat menuju anoda. Filamen yang digunakan pada umumnya adalah tungsten
atau Lanthanum Heksaborida (LaB6).
Kumparan pemindai akan melakukan pembelokan pada elektron sehingga
menjadi sekumpulan susunan berkas yang lebih kecil yang disebut pelebaran
pemindai (scaning beam) dan lensa objektif (magnetik) yang akan memfokuskannya
pada permukaan sampel. Tumbukan dengan atom material menyebabkan elektron
kehilangan energi. Sehingga mengakibatkan hamburan dan absorbsi pada daerah
interaksi dengan kedalaman 100 nm hingga 2 µm. Pada FE-SEM, sinyal yang diolah
merupakan hasil deteksi dari elektron yang berpindah dari permukaan sampel
(Russel, 1995).
Universitas Sumatera Utara