My Assignment

TUGAS FISIKA BAHAN LANJUT

NANOSCIENCE & NANOTECHNOLOGY

OLEH :

                                                 FAHMI ASTUTI (1108100015)      

JURUSAN FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER SURABAYA

2011

1.      Mengapa material dengan struktur nanometer  mempunyai sifat yang lebih unggul ?

Jawaban :

Jika kita tinjau dari struktur permukaan, material dengan struktur nanometer  berpeluang menjadi reinforcement (penguatan) yang  lebih besar daripada material dengan struktur yang lebih besar seperti halnya material berukuran mikron. Struktur berukuran sangat kecil seperti material nano akan menampakkan sifat-sifat yang lebih unggul diakibatkan oleh fraksi interfasa (permukaan yang lebih besar). Jika kita bayangkan, seperti halnya pada Atomic Packing Factor ( APF ), misalkan pada susunan atomnya terdapat kekosongan sebesar 2 mikron,  jika kita sisipkan atom berukuran mikro maka akan cukup terisi 2 atom, namun tidak halnya jika kita sisipkan atom berukuran nano, maka akan dibutuhkan sekitar 2.000 atom untuk mengisi kekosongan tersebut. Semakin sedikit kekosongan yang ada pada suatu material akan memberikan sifat yang lebih unggul pada material tersebut. Ikatan antar partikel yang terjadi pada material nano memainkan peran penting dalam peningkatan dan pembatasan sifat material. Partikel-partikel yang berukuran nano itu mempunyai luas permukaan interaksi yang tinggi. Makin banyak partikel yang berinteraksi, kian kuat pula material. Inilah yang membuat ikatan antarpartikel makin kuat, sehingga sifat mekanik materialnya bertambah dan sifatnya akan menjadi lebih unggul.

2.      Jelaskan mekanisme pembentukan nanostruktur dari nanomaterial yang anda ketahui !

Jawaban :

Mekanisme pembentukan nanostruktur dari nanomaterial :

a.       Mechanical Alloying (MA)

Dalam mekanisme mechanical alloying, material dihancurkan sampai menjadi bubuk dan dilanjutkan dengan penghalusan butiran partikelnya sampai berukurun puluhan nm. Kemudian, bubuk yang telah halus disinter  dengan kondisi tertentu sehingga didapatkan material final yang memiliki sifat-sifat dan performan yang sangat unggul berbeda dengan bulk material aslinya. Sebagai contoh, nanobaja diperoleh dari penghalusan partikel bubuk besi dan karbon dengan teknik MA sampai berukuran 30 nm, kemudian disinter pada suhu mendekati suhu eutectoid (sekitar 723°C) pada tekanan 41 MPa dalam suasana gas nitrogen. Nano baja berstruktur halus (mencapai beberapa puluh nm) memiliki kekuatan dan umur 2 kali lipat. Teknologi ini sangat sederhana dan tidak memerlukan peralatan tertentu untuk pembuatannya.

b.      Ball Milling

Salah satu cara pembuatan partikel nano adalah dengan menggunakan teknologi ball mill, yaitu menggunakan energi tumbukan antara bola-bola penghancur dan dinding wadahnya. Untuk mendapatkan partikel nano dalam jumlah banyak dan 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.

c.       Metode Sonikasi

Prosesnya dengan cara menggunakan gelombang ultrasonik dengan rentang frekuensi 20 kHz-10 MHz yang ditembakkan ke dalam medium cair untuk menghasilkan cavitation 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 gelembung kecil akibat suara. Akibatnya akan terjadi peristiwa hotspot yang melibatkan energi yang sangat tinggi. Hotspot adalah pemanasan lokal yang sangat intens yaitu sekitar 5000 K dengan tekanan sekitar 1000 atm, laju pemanasa dan pendinginannya bisa sangat cepat yaitu 1010 K/s.

3.      Jelaskan proses untuk identifikasi bahwa material yang disintesis betul pada daerah nanometer !

Jawaban :

@ Contoh sintesis nanomaterial BiMnO₃ melalui metode copresipitasi

Metode Sintesis

Peralatan yang digunakan dalam sintesis BiMnO₃ dengan metode kopresipitasi ini diantaranya adalah :

·         Gelas beker

·         Gelas ukur

·         Pipet

·         Timbangan digital

·         Kertas saring ukuran 40

·         Alat pemanas

·         Pengaduk magnetik (hot place and magnetic stirrer)

Kemudian bahan-bahan yang digunakan dalam sintesis BiMnO₃ ini adalah:

·         BiO(OH)₉(NO₃)₄

·         HCl

·         MnCl₂. 4H₂O

·         NH₄OH

·         DI water 

Selain itu, beberapa peralatan yang digunakan untuk mengkarakterisasi sampel adalah :

·         XRD untuk karakterisasi fase dan struktur

·         Kapasitansi meter digital 

Metode yang digunakan dalam sintesis BiMnO₃ ini adalah metode kopresipitasi. Mula-mula Bi₅O(OH)₉(NO₃)₄ direaksikan dengan MnCl₂. 4H₂O. Setelah diaduk beberapa lama hingga benar-benar tercampur, kemudian larutan KOH dimasukkan ke dalam campuran tersebut dengan cara meneteskannya sebanyak 5 tetes setiap 10 menit. Pencampuran bahan-bahan tersebut dilakukan dengan menggunakan magnetic stirrer pada suhu 80 ^oC. Larutan yang dihasilkan dari reaksi tersebut disaring dengan menggunakan kertas saring ukuran 40. Endapan yang dihasilkan dicuci dengan menggunakan DI water sampai tidak berbau dan sampai DI water pencucinya menjadi jernih. Endapan tersebut dikeringkan kemudian diannealing dengan variasi suhu 500, 750 dan 1000 ^oC selama 1 jam. Annealing tersebut akan menghasilkan naopartikel BiMnO₃ yang berupa serbuk. Untuk  keperluan karakterisasi XRD, sampel nanomaterial BiMnO₃ dibentuk menjadi serbuk. Hal ini bertujuan untuk mengetahui seluruh kemungkinan puncak difraksi yang ada. Karakterisasi XRD metode serbuk dilakukan untuk mengindentifikasi terbentuk atau tidaknya nanomaterial BiMnO₃, serta mengetahui adanya fase-fase yang terbentuk dalam sampel dan untuk keperluan analisis struktur kristal.

4.      Jelaskan salah satu aplikasi nanomaterial dan mekanisme fisis yang terjadi !

Jawaban :

Salah satu contoh aplikasi nanomaterial adalah pada nanokomposit.

Nanokomposit merupakan material padat multi fase, dimana setiap fase memiliki satu, dua, atau tiga dimensi yang kurang dari 100 nanometer (nm), atau struktur padat dengan dimensi berskala nanometer yang berulang pada jarak antar bentuk penyusun struktur yang berbeda. Material-material dengan jenis seperti itu terdiri atas padatan anorganik yang tersusun atas komponen organik. Nanokomposit dapat ditemukan di alam, contohnya adalah kulit tiram dan tulang.Ikatan antar partikel yang terjadi pada material nanokomposit memainkan peran penting dalam peningkatan dan pembatasan sifat material. Partikel-partikel yang berukukuran nano itu mempunyai luas permukaan interaksi yang tinggi. Makin banyak partikel yang berinteraksi, kian kuat pula material. Inilah yang membuat ikatan antarpartikel makin kuat, sehingga sifat mekanik materialnya bertambah. Namun penambahan partikel-partikel nano tidak selamanya akan meningkatkan sifat mekaniknya. Ada batas tertentu yang mana saat dilakukan penambahan, kekuatan material justru makin berkurang. Namun pada umumnya, material nanokomposit menunjukkan perbedaan sifat mekanik, listrik, optik, elektrokimia, katalis, dan struktur dibandingkan dengan material penyusunnya.
Pembuatan material nanokomposit dapat dilakukan dengan melakukan pendekatan-pendekatan yang mudah dan kompleks. Salah satunya adalah menggunakan pendekatan simple mixing. Dalam metode ini, peningkatan kekuatan mekanik material terjadi akibat penambahan nanopartikel SiO2 pada epoxy resin. Permukaan nanopartikel yang sangat luas berinteraksi dengan rantai polimer, sehingga mereduksi mobilitas rantai polimer. Interaksi ini meningkatkan kekuatan mekanik komposisit tersebut jauh di atas kekuatan polimer itu sendiri. Hasil yang diperoleh adalah material yang ringan dengan kekuatan tinggi. Makin banyak jumlah SiO2 yang dimasukkan, kekuatan material nanokomposit juga bertambah sampai titik kritisnya.