bab i pendahuluan

BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Perkembangan nanoteknologi telah memberikan dampak yang sangat
besar bagi kemajuan teknologi saat ini. Secara umum, nanoteknologi adalah
pengembangan riset mengenai rekayasa material dalam skala kurang dari 100 nm,
dimana pada skala tersebut material akan memiliki karakteristik baru yang
berbeda dibandingkan material berukuran bulk. Berbagai jenis material telah
diamati karakteristik dan kemampuannya untuk dikembangkan di berbagai
aplikasi, seperti divais elektronik, sensor, telekomunikasi, biomedis dan lain-lain.
Salah satu bidang riset nanoteknologi yang mendapat banyak perhatian
adalah nanopartikel magnetik. Nanopartikel magnetik memiliki efek ukuran
kuantum (transisi antara ukuran atom dan bulk) dan luas permukaan yang besar
menyebabkan perubahan sifat magnetik dan berpotensi menghasilkan fenomena
superparamagnetik. Saat ukuran material magnetik lebih kecil dari 20 nm, akan
terjadi transisi dari ferromagnetik ke superparamagnetik (Mathew dan Juang,
2007).
Ferrite merupakan material magnetik yang sangat menarik karena
struktur, sifat kimia, sifat magnetik dan listriknya yang dapat dimanfaatkan secara
luas di berbagai bidang. Salah satu bidang yang saat ini menggunakan dan
mengembang ferrite adalah biomedis. Aplikasi material ferrite di biomedis
membutuhkan nanomaterial yang di desain dapat berinteraksi dengan protein dan
sel tanpa mengganggu aktivitas biologikalnya, nanomaterial harus dapat menjaga
sifat fisisnya pada kondisi tertentu, dan nanomaterial harus biokompatibel serta
tidak beracun (Khot, 2013). Ferrite memiliki rumus senyawa MFe2O4, dimana M
dapat berupa kation Ni2+, Mg2+, Zn2+, Cu2+, dan lain-lain. Saat ferrite dimodifikasi
dengan membuat M terdiri atas dua kation, maka akan diperoleh karakteristik baru
dari ferrite tersebut.
1
2
Material ferrite yang saat ini banyak dikembangkan adalah NiFe2O4 dan
MgFe2O4. Keduanya memiliki beberapa kelebihan dan juga kekurangan. MgFe2O4
memiliki karakteristik yaitu soft magnetik, restivitas relatif tinggi, stabilitas kimia
yang baik, tidak berbahaya untuk sel hidup (non-cytotoxic), dan magnetik
anisotropi relatif rendah dibandingkan ferrite lain karena sumber momen
magnetik hanya berasal dari Fe3+ saja (Mg2+ non-magnetik) (Tomitaka dkk., 2011;
Khot, 2013). Sedangkan, NiFe2O4 memiliki karaketeristik yaitu soft magnetik,
resistivitas relatif tinggi, stabilitas kimia yang baik, berbahaya untuk sel hidup
(cytoxic) (Tomitaka dkk., 2011), dan magnetik anisotropinya lebih tinggi
dibandingkan MgFe2O4 karena Ni2+ merupakan ion magnetik. Melihat
karakteristik kedua ferrite ini maka banyak dilakukan modifikasi ferrite dengan
menggabungkan ion Mg2+ dan Ni2+ untuk meningkatkan karakteristik ferrite
tersebut.
Material NiFe2O4 memiliki struktur invers spinel dan MgFe2O4 memiliki
struktur invers spinel sebagian (mixed spinel) (Gabal dkk., 2014). Ketika
dilakukan modifikasi ferrite yaitu menggabungkan ion Mg2+ dengan ion Ni2+,
maka akan dihasilkan senyawa MgNiFe2O4. Saat konsentrasi ion Mg2+ sama
dengan konsentrasi ion Ni2+ maka dapat diperkirakan terbentuk struktur mixed
spinel dengan Mg0.5 Fe0.5[Ni0.5 Fe1.5]O4 (Hankare dkk., 2009). Distribusi kation di
tetrahedral dan oktahedral pada MgNiFe2O4 akan sangat mempengaruhi struktur
kristal dan sifat kemagnetannya. Seshan dkk. (1981) menyatakan bahwa ion Ni2+
memiliki kecenderung berada di oktahedral dan terjadi persaingan untuk mengisi
posisi tetrahedral antara ion Mg2+ dan Fe3+. Selain itu, penggabungan ion
magnetik Ni2+ dengan ion non-magnetik Mg2+ akan menghasilkan struktur, sifat
magnetik dan sifat listrik yang menarik untuk dibahas.
Karakteristik ferrite secara umum bergantung pada metode sintesis,
komposisi kimia, dan distribusi kation (Naeem dkk., 2009). Proses sintesis
material nanopartikel magnetik dapat dilakukan dengan berbagai metode seperti
metode combustion, metode solgel, metode keramik, metode kopresipitasi, dan
lain-lain. Metode kopresipitasi secara luas telah digunakan untuk mensintesis
ferrite, karena komposisi bahan yang fleksibel, dapat mengontrol ukuran dan
3
bentuk partikel jika parameter sintesis ditetapkan sebelumnya (Hankare dkk.,
2009), dan membutuhkan biaya yang tidak mahal karena tekniknya sederhana
(Naeem dkk., 2009).
Nanopartikel magnetik memiliki kecenderungan kuat untuk beraglomerasi
akibat interaksi antar partikel magnetik dan besarnya reaktivitas permukaan
nanopartikel. Oleh karena itu, untuk menghindari aglomerasi tersebut maka perlu
dilakukan modifikasi permukaan dengan mengenkapsulasi nanopartikel, baik
menggunakan polimer atau bahan organik/inorganik lainnya (Nadeem dkk.,
2014). Selain itu, perlakuan enkapsulasi nanopartikel juga bertujuan untuk
menambah stabilitas kimia, dispersibilitas, biokompatibilitas, menyeragamkan
distribusi ukuran dan morfologi partikel magnetik yang nantinya dapat
dimanfaatkan diaplikasi biomedis seperti yang telah dipaparkan sebelumnya.
Salah satu bahan non-magnetik yang banyak digunakan sebagai bahan
enkapsulasi adalah silika. Keuntungan menggunakan silika adalah adanya grup
silanol yang dapat bereaksi dengan mudah terhadap agen coupling yang
menyediakan ligan permukaan yang kuat pada nanopartikel. Silika juga dapat
meningkatkan stabilitas nanopartikel dalam larutan (Umut, 2013). Untuk
menghasilkan silika biasanya digunakan prekursor sebagai sumber silika.
Prekursor yang biasa digunakan adalah TEOS (tetraethyl orthosilicate), Na2SiO3
(Sodium silicate), dan TMOS (tertrametil orthosilicate). Penggunaan TEOS
biasanya membutuhkan biaya mahal dan tidak ramah lingkungan, sehingga perlu
bahan prekursor silika lain. Salah satu prekursor silika yang dapat digunakan
adalah Na2SiO3 karena harganya yang murah, tidak beracun dan ramah
lingkungan (Setyawan dkk., 2012; Setyawan dan Balgis, 2011).
Selain material inorganik seperti silika, bahan enkapsulasi dapat juga
berupa material organik berupa polimer. Salah satu jenis polimer yang biasa
digunakan sebagai bahan enkapsulasi adalah polyethylene glycol (PEG). PEG
memiliki kelebihan mampu mengikat nanopartikel yang dienkapsulasi sehingga
nanopartikel tersebut lebih stabil, memiliki tingkat kelarutan yang baik, serta
dapat
mencegah
terjadinya
aglomerasi
pada
nanopartikel.
PEG
biasa
dimanfaatkan dalam bidang kesehatan karena sifatnya yang tak beracun,
4
biokompatibel, dan murah. Macam-macam PEG dapat dibedakan tergantung berat
molekul rata-rata yang dimiliki, seperti PEG-200, PEG-4000 dan lain-lain.
Perbedaanya terletak pada panjang rantai polimer yang dimiliki, semakin besar
berat molekulnya maka rantainya semakin panjang. PEG-4000 memiliki harga
yang relatif lebih murah dibandingkan PEG dengan berat molekul rata-rata
dibawah 4000. PEG-4000 sebelumnya sudah sering dikaji pengaruhnya sebagai
bahan enkapsulasi nanopartikel magnetik. Hasil pengamatan Puspitarum (2015),
enkapsulasi PEG-4000 pada nanopartikel MgFe2O4 menyebabkan perubahan
karakteristik nanopartikel, seperti ukuran kristal yang menurun dari 10,49 nm ke
5,24 nm dan nilai koersivitas yang berubah dari 120,66 Oe ke 40,88 Oe.
Saat ini telah banyak dilakukan sintesis MgNiFe2O4 dengan metode
kopresipitasi (Hankare dkk., 2009; Moradmard dkk., 2015). Namun, nanopartikel
MgNiFe2O4 belum banyak diamati karakteristiknya jika diberi enkapsulasi
material lain, khususnya silika dan PEG-4000. Penggunaan silika sebagai bahan
enkapsulasi dengan prekursor Na2SiO3 masih sangat jarang. Demikian juga
mengenai pengaruh enlkapsulasi PEG-4000 terhadap nanopartikel magnetik
masih sangat sedikit. Kedua bahan ini, silika dan PEG-4000, masih belum banyak
dikaji sebagai bahan enkapsulasi dengan mengaitkan pengaruhnya terhadap
struktur kristal dan sifat magnet dari nanopartikel magnetik terutama MgNiFe2O4.
Pada penelitian ini nanopartikel Mg0.5Ni0.5Fe2O4 akan disintesis dengan
metode kopresipitasi. Nanopartikel hasil sintesis tersebut kemudian dienkapsulasi
dengan silika (dengan prekursor Na2SiO3) dan PEG-4000. Bahan enkapsulasi
akan mempengaruhi struktur kristal nanopartikel dengan munculnya fasa baru dan
adanya perubahan ukuran partikel. Morfologi nanopartikel akan lebih terdispersi
dan aglomerasi akan berkurang. Pada ikatan gugus fungsi akan muncul vibrasi
ikatan baru yang mewakili ikatan dari bahan enkapsulasi. Bahan enkapsulasi yang
bersifat non-magnetik akan mempengaruhi sifat kemagnetan Mg0.5Ni0.5Fe2O4,
sehingga perlu adanya pengamatan lebih lanjut dengan melihat perubahan nilai
koersivitas, magnetisasi remanen, dan magnetisasi saturasi dari seluruh sampel
baik sebelum dan setelah dienkapsulasi.
5
1.2
Rumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah dipaparkan sebelumnya, maka
rumusan masalah pada penelitian ini adalah:
1. Bagaimana cara mengenkapsulasi nanopartikel magnetik Mg0.5Ni0.5 Fe2O4
dengan silika dan Mg0.5Ni0.5 Fe2O4 dengan PEG-4000.
2. Bagaimana pengaruh enkapsulasi silika dan PEG-4000 terhadap struktur
kristal, morfologi, gugus fungsi dan sifat kemagnetan nanopartikel
Mg0.5Ni0.5 Fe2O4.
1.3
Batasan Masalah
Batasan masalah pada penelitian ini adalah pengaruh bahan enkapsulasi
silika dan PEG-4000 terhadap karakteristik nanopartikel Mg0.5Ni0.5Fe2O4. Variasi
konsentrasi silika yang diberikan adalah 50%, 30%, 20%, 15%, 10% dan 5%,
sedangkan variasi konsentrasi PEG-4000 adalah 25%, 33%, 50%, 67%, 75% dan
80%.Variasi konsentrasi silika dan PEG-4000 kemudian dianalisis pengaruhnya
terhadap struktur kristal dan sifat kemagnetan nanopartikel Mg0.5Ni0.5 Fe2O4.
1.4
Tujuan Penelitian
Adapun tujuan penelitian ini adalah:
1. Mendapatkan
nanopartikel
magnetik
Mg0.5Ni0.5Fe2O4
dengan
metode
kopresipitasi yang dienkapsulasi dengan silika dan PEG-4000.
2. Mempelajari pengaruh enkapsulasi silika dan PEG-4000 terhadap struktur
kristal, morfologi, gugus fungsi, dan sifat
kemagnetan nanopatikel
Mg0.5Ni0.5 Fe2O4.
1.5
Manfaat Penelitian
Manfaat yang diharapkan diperoleh dari penelitian ini adalah dapat
memberikan informasi tentang pengaruh enkapsulasi silika dan PEG-4000
terhadap karakteristik struktur kristal, morfologi, gugus fungsi, dan sifat
kemagnetan nanopartikel Mg0.5Ni0.5Fe2O4, yang nantinya dapat dimanfaatkan
untuk pengembangan teknologi diberbagai bidang seperti drugs delivery agent,
purifikasi, biosensor dan lain-lain.
6
1.6
Sistematika Penulisan
Susunan sistematika penulisan tesis ini terdiri atas 6 bab, yaitu
pendahuluan, tinjauan pustaka, landasan teori, metode penelitian, hasil dan
pembahasan, dan kesimpulan serta saran, kemudian ditambah dengan daftar
pustaka dan juga lampiran.
BAB I merupakan pendahuluan yang memaparkan latar belakang
dilakukannya penelitian mengenai enkapsulasi nanopartikel Mg 0.5Ni0.5Fe2O4
dengan silika dan PEG-4000, yang kemudian memunculkan rumusan dan batasan
masalah, serta tujuan dan manfaat penelitian.
BAB II merupakan tinjaun pustaka yang memaparkan perkembangan
penelitian-penelitian sebelumnya yang berhubungan dengan Mg0.5Ni0.5 Fe2O4 dan
proses enkapsulasi nanopartikel magnetik dengan silika dan PEG-4000.
BAB III berisi landasan teori yang menjelaskan tentang konsep dasar
kemagnetan, klasifikasi sifat kemagnetan material, sifat superparamagnetik pada
nanopartikel magnetik, konsep domain magnetik dan kurva histerisis, struktur
spinel dan nanopartikel Mg0.5Ni0.5Fe2O4, bahan enkapsulasi, PEG, silika, metode
kopresipitasi dan karakterisasi material.
BAB IV menjelaskan metode penelitian yang mencakup alat dan bahan
yang digunakan untuk enkapsulasi nanopartikel Mg 0.5Ni0.5 Fe2O4, prosedur
penelitian, dan teknik pengolahan data yang diperoleh .
BAB V memaparkan tentang hasil dan pembahasan dari setiap proses
penelitian.
BAB VI memuat kesimpulan dan saran yang nantinya dapat menjadi
acuan penelitian selanjutnya.
Daftar pustaka berisi mengenai seluruh pustaka yang diacu dalam
penelitian ini.