Pengertian KristalKristal adalah suatu padatan yang atom, molekul, atau ion penyusunnya terkemas secara teratur dan polanya berulang melebar secara tiga dimensi. Secara umum, zat cair membentuk kristal ketika mengalami proses pemadatan. Pada kondisi ideal, hasilnya bisa berupa kristal tunggal, yang semua atom-atom dalam padatannya "terpasang" pada kisi atau struktur kristal yang sama, tapi secara umum kebanyakan kristal terbentuk secara simultan sehingga menghasilkan padatan polikristalin. Misalnya, kebanyakan logam yang kita temui sehari-hari merupakan polikristal. Struktur kristal mana yang akan terbentuk dari suatu cairan tergantung pada kimia cairannya sendiri, kondisi ketika terjadi pemadatan, dan tekanan ambien. Kristal terbentuk karena proses kristalisasi. Pengertian kristalisasi sendiri yaitu proses pembentukan kristal yang terjadi pada saat pembekuan, perubahan dari fasa cair ke fasa padat. Jika ditinjau dari mekanismenya, kristalisasi terjadi melalui 2 tahap :1. Tahapan Nucleation (pembentukan inti)2. Tahapan Crystal Growth (Pertumbuhan Kristal)

Gambar 2.1 Kristal Insulin

Proses Terbentuknya Kristal Adapun cara terbentuknya kristal secara sederhana bahwa dalam keadaaan cair, atom-atom tidak memiliki susunan yang teratur (selalu mudah bergerak) dan mempunyai temperature yang relatip tinggi serta atom-atomnya memiliki energi yang cukup banyak sehingga mudah bergerak dan tidak ada pengaturan letak atom relatip terhadap atom lainnya. Dengan semakin turunnya temperature maka energy atom akan semakin rendah dan semakin sulit bergerak sehingga atom-atom ini mulai mencari atau mengatur kedudukan relatip terhadap atom lainnya dan mulai membentuk lattice. Proses ini terjadi pada temperature yang relatip lebih dingin dimana sekelompok atom menyusun diri membentuk inti Kristal. Inti-inti ini akan menjadi pusat dari proses kristalisasi selanjutnya.

Cacat Kristal (Imperfection)Cacat dapat terjadi karena adanya solidifikasi (pendinginan) ataupun akibat dari luar. Cacat tersebut dapat berupa : Cacat Titik (Point Defect) 1. Cacat kekosongan (Vacancy) yang terjadi karena tidak terisinya suatu posisi atom pada lattice atau kekosongan sisi kisi, yaitu sisi yang seharusnya ditempati atom, kehilangan atomnya. Vakansi terbentuk selama proses pembekuan, dan juga karena getaran atom yang mengakibatkan perpindahan atom dari sisi kisi normalnya.2. Interstitial (sisipan) adalah salah tempat, posisi yang seharusnya kosong justru ditempati atom. Interstitial diffusion secara umum lebih cepat daripada vacancy diffusion karena ikatan dari interstiti terhadap atom-atom sekelilingnya lebih kuat dan terdapat beberapa posisi interstiti dibandingkan posisi kekosongan dalam hal berdifusi.3.Impurity (ketidakmurnian), adanya atom asing yang menggantikan tempat yang seharusnya diisi oleh atom. Impuritas adalah atom asing yang hadir pada material. Logam murni yang hanya terdiri dari satu jenis atom adalah tidak mungkin. Impuritas bisa menyebabkan cacat titik pada kristal. Ada paduan dimana atom impuritas sengaja ditambahkan untuk mendapatkan karakteristik tertentu pada material seperti untuk meningkatkan kekuatan mekanik atau ketahanan korosi. 4.Cacat Schottky dan Frenkel banyak dijumpai pada kristal ionik. Cacat Schottky adalah berupa kekosongan pada suatu titik kisi bersama-sama dengan cacat sisipan di permukaan. Sedangkan bila kekosongan berpasangan dengan sisipan di dalam kristal membentuk cacat Frenkel.

Cacat garis (line defect)Cacat yang menimbulkan distorsi pada lattice yang berpusat pada suatu garis. Sering pula disebut dengan dislokasi. Secara umum ada 3 jenis dislokasi, yakni : dislokasi ulir, dislokasi sisi/pinggir, dan dislokasi campuran. Dislokasi ulir terbentuk karena gaya geser yang diberikan menghasilkan distorsi seperti yang ditunjukkan Gambar 2.4. Daerah depan bagian atas kristal tergeser sebesar satu atom kekanan relatif terhadap bagian bawah. Dislokasi ini disimbolkan dengan (.).

Gambar 2.2 Dislokasi UlirDislokasi sisi/pinggir adalah terdapatnya bidang atom ekstra atau setengah bidang, dimana sisinya terputus di dalam kristal. Gambar 2.5 memperlihatkan skematik dari dislokasi sisi. Dislokasi sisi disimbolkan dengan

Gambar 2.3 Dislokasi Sisi/PinggirJika pada material dijumpai kedua jenis dislokasi diatas maka disebut material mempunyai dislokasi campuran. Contoh dislokasi campuran bisa dilihat pada gambar 2.6.

Gambar 2.4 Dislokasi Campuran

Cacat bidang (interfacial defect)Pada bahan polikristal, zat padat tersusun oleh kristal-kristal kecil yang disebut butir (grain). Setiap butir dapat berukuran mulai dari nanometer hingga mikrometer. Pada setiap butir atom-atom tersusun pada arah tertentu, dan arah keteraturan atom ini bervariasi dari satu butir ke butir lain. Batasan antara 2 buah dimensi dan umumnya memisahkan daerah dari material yang mempunyai struktur kristal berbeda dan atau arah kristalnya berbeda, misalnya : Batas Butir (karena bagian batas butir inilah yang membeku paling akhir dan mempunyai orientasi serta arah atom yang tidak sama. Semakin banyak batas butir maka akan semakin besar peluang menghentikan dislokasi. Kemudian contoh yang berikutnya adalah Twin (Batas butir tapi special, maksudnya : antara butiran satu dengan butiran lainnya merupakan cerminan) dan ini menimbulkan cacat pada daerah batas butir, sehingga disebut cacat batas butir.

Cacat Ruang (Bulk defect)Perubahan bentuk secara permanen disebut dengan Deformasi Plastis, deformasi plastis terjadi dengan mekanisme :a. Slip, yaitu : Perubahan dari metallic material oleh pergerakan dari luar sepanjang Kristal. Bidang slip dan arah slip terjadi pada bidang grafik dan arah atom yang paling padat karena dia butuh energi yang paling ringan atau kecil.b. Twinning terjadi bila satu bagian dari butir berubah orientasinya sedemikian rupa sehingga susunan atom di bagian tersebut akan membentuk simetri dengan bagian kristal yang lain yang tidak mengalami twinning.

Cacat Kristal dalam PadatanKita ketahui bahwa anggapan kristal itu sempurna, tanpa cacat. Ciri kristal sempurna (perfect crystal ) adalah terdapat pengulangan posisi setimbang atom-atom penyusun kristal. Terdapat berbagai cacat sebagai penyimpangan dari kristal sempurna, tapi yang akan dibahas hanyalah cacad titik. Cacat paling sederhana adalah kehilangan atom pada posisi tertentu dalam kristal (vacancy) yang sering disebut cacat Schottky. Cara memodelkan cacad ini adalah dengan menganggap terjadi perpindahan suatu atom (atau molekul) dari suatu titik dalam kristal ke permukaan. Perubahan ini adalah endoterm (tidak disukai) tetap diimbangi oleh penaikan entropi akibat peningkatan ketakteraturan kristal. Kita gunakan anggapan (1) energi yang diperlukan untuk memindahkan atom dari kisi ke permukaan adalah v dan (2) kekosongan yang ada amatlah jarang sehingga proses ini dianggap independen. Dengan asumsi ini, dapat dituliskan,

dengan n adalah jumlah kekosongan, dan faktor kombinatorial adalah jumlah cara mendistribusikan kekosongan dalam kristal. Keadaan setimbang adalah keadaan dengan nilai A(n) minimum, yaitu

dimana kita mengabaikan nilai n dibandingkan dengan N. Cacat yang lain yang dikenal adalah acat Frenkel, dimana kekosongan diimbangi dengan interstisi di tempat lain. Anggap energi yang dibutuhkan untuk memindahkan atom dari kisi ke interstisi adalah I , N adalah jumlah titik dalam kisi dan N0 adalah jumlah titik yang mungkin disisipi.

Dengan cara yang sama (meminimalkan A), kita peroleh

Secara umum, entropi dapat dituliskan sebagai S = k ln (N; V;E), dengan adalah jumlah susunan yang mungkin dari suatu sistem.Angka kesetimbangan vakansi, Nv untuk material tertentu tergantung atas kenaikan temperatur sesuai dengan persamaan:

dimana N = jumlah total sisiQv = energi yang diperlukan untuk membentuk vakansi T = emperature mutlak, K k = konstanta Boltzmqan = 1,38 x 10-23 J/atom-K = 8,62 x 10-5 eV/atom-K

Gambar 3.1 Cacat Kekosongan (Vacancy) dan Cacat InterstisiSelain cacat vacancy (kekosongan), salah satu macam cacat titik adalah cacat interstisi yaitu sebuah atom dari bahan kristal yang berdesakan ke dalam sisi interstisi, yaitu ruang kosong kecil dimana dalam kondisi normal tidak diisi atom. Pada logam, interstisi diri mengakibatkan distorsi yang relatif besar di sekitar kisi karena atom interstisi lebih besar dari ruang interstisi. Karena itu pembentukan cacat ini kemungkinannya kecil, dan juga konsentrasinya kecil, dimana konsentrasinya jauh lebih kecil dari cacat vakansi.

Difusivitas Atom Pada suhu tertentu, tidak semua atom (molekul) mempunyai energi yang sama pada saat tertentu, terdapat suatu spectrum energi di antara atom-atom mulai dari nilai mendekati nol sampai nilai yang sangat tinggi (tetapi tetap mendekati harga rata-rata). Sebaliknya untuk periode waktu tertentu, setiap atom akan dapat memiliki serangkaian nilai energi mulai dari sekitar nol sampai nilai yang sangat tinggi (tetapi tetap mendekati harga rata-rata). Dalam dua kondisi ini, atom kemungkinan mempunyai cukup energi untuk memutuskan ikatannya dan melompat ke posisi baru dan mengalami suatu proses difusi. Difusivitas bergantung dari jenis atom yang larut, struktur bahan padat dan perubahan suhu.

Tabel 3.1 Difusivitas Atom

Perbedaan nilai difusivitas pada beberapa bahan padatan disebabkan oleh beberapa hal :a. suhu yang lebih tinggi menghasilkan difusivitas yang lebih tinggi pula. Atom-atom memiliki energi termal yang lebih tinggi, oleh karena itu besar kemungkinan untuk mencapai energi yang dapat melampaui hambatan antara atom-atom.b. Karbon memiliki difusivitas yang lebih tinggi dari pada nikel dalam besi karena atom karbon lebih kecil.c. Tembaga lebih mudah berdifusi dalam aluminium daripada tembaga sendiri oleh karena ikatan Cu-Cu lebih kuat daripada ikatan Al-Al. (berdasarkan titik cairnya).d. Atom-atom mempunyai difusivitas yang lebih tinggi dalam besi kpr daripada dalam besi kps karena kpr mempunyai factor tumpukan yang lebih rendah. (lubang sisipan dalam kps lebih besar dibanding lubang sisipan dalam kpr).e. Difusi berjalan lebih cepat melalui batas butir karena merupakan daerah dengan cacat kristal. Hubungan difusi dengan energi aktivasi :

Dalam kimia difusi berkaitan dengan Q dengan satuan kal/mol dan R (konstanta gas), sehingga diperoleh hubungan :

RINGKASAN Kristal merupakan padatan yang atom, molekul, atau ion penyusunnya terkemas secara teratur dan polanya berulang melebar secara tiga dimensi. Kristal terbentuk dari zat cair yang mengalami proses pemadatan. Pada keadaan ideal, zat cair yang membentuk Kristal tersebut hasilnya bias berupa Kristal tunggal, tapi secara umum kebanyakan kristal terbentuk secara simultan sehingga menghasilkan padatan polikristalin. Kristal merupakan suatu bahan penyusun zat padat, sehingga keadaan Kristal harus diketahui. Adapun macam-macam cacat pada Kristal antara lain cacat titik, cacat garis, cacat bidang dan cacat ruang.