makalah kristalografi
DESCRIPTION
kristalografiTRANSCRIPT
Abstrak
Fe3O4 berhasil dibuat dengan menggunakan metode kopresipitasi. Karakterisasi serbuk dengan menggunakan difraksi sinar-X dan dan software Maud menghasilkan ukuran kristal sebesar 5,5±1,3 nanometer. Karakterisasi
dengan menggunakan VSM diperoleh nilai medan saturasi MS untuk ferit Fe3O4
dari pasir besi yang telah disintesis, Aldrich yang belum disintesis dan Aldrich yang telah disintesis berturut-turut sebesar 46,3 emu/gram, 100,4 emu/gram, 54,6
emu/gram dan medan koersifitas (HC) masing-masing sebesar 1,69x10-2 Tesla,
2,94x10-2 Tesla, 2,00x10-4 Tesla.
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Nanoteknologi merupakan satu bidang kajian yang memiliki
jangkauan keilmuan yang bersifat interdisipliner. Pemanfaatan nano material
saat ini sedang banyak dikembangkan karena beberapa kelebihan-kelebihan
yang dimilikinya. Salah satunya ialah nano partikel magnetik yang
merupakan kelas material berukuran dibawah 100 nm yang bisa direkayasa
atau dimanipulasi dibawah pengaruh medan magnet eksternal. Berdasarkan
sifat kimianya, nanopartikel magnetik cederung mengelompok, membentuk
sebuah aglomerat, kecuali jika permukaanya dilapisi dengan bahan non
magnetik. Nanopartikel magnetik ini memiliki sifat yang terkenal dan sangat
berpotensi untuk aplikasi diberbagai bidang, seperti bidang medis sebagai
drug delivery, terapi hyperthermia, dan Magnetic Resonance Imageing
(MRI).
Nanopartikel magnetit (Fe3O4) adalah salah satu jenis nanopartikel
magnetik yang paling sering digunakan. Nanopartikel magnetit secara luas
digunakan sebagai padatan pendukung untuk enzim seperti selulase, glukosa
oksidase, bovine serum albumin, pelacak peptide dan lipase juga digunakan
dalam biomedis sebagai sistem pemberi obat magneti (MRI) dan sebagai
mediator pemanas kanker termoterapi (Valenzuela et all., 2009). Fe3O4
adalah material hitam dengan sifat magnetik yang kuat sehingga membuat
permukaan magnetit bersifat reaktif dan memiliki luas permukaan yang besar.
Selain itu magnetit juga menunjukkan perilaku superparamagnetik untuk
ukuran butir dibawah 30 nm. Sifat partikel nano magnetik ini bergantung
pada ukurannya. Sebagai contoh, ketika ukuran suatu partikel nano magnetik
di bawah 10 nm, akan bersifat superparamagnetik pada temperatur ruang,
artinya bahwa energi termal dapat menghalangi anisotropi energi penghalang
2
dari sebuah partikel nano tunggal. Karena itu, untuk mensintesis partikel
nano seragam dilakukan beberapa metoda dengan mengatur ukurannya
sehingga menjadi salah satu kunci masalah dalam ruang lingkup sintesis
nano partikel.
Sedemikian luas manfaat partikel nano Fe3O4 dalam sains dan
teknologi, sehingga pengembangan material baru ini sangatlah dibutuhkan
baik menyangkut ekplorasi bahan baku, pengembangan metode sintesis,
metode karakterisasi maupun aplikasinya. Pada makalah ini akan dibahas
mengenai cara mensintesis partikel nano dengan ukuran kristal ≤ 100 nm
berbahan dasar Fe3O4 dari pabrik (Aldrich) dengan metode kopresipitasi serta
membandingkan komposisi fasa, morfologi dan sifat
kemagnetan Fe dari pabrik (Aldrich) dan bahan alam yang
dihasilkan dari proses sintesis.
1.2. Rumusan Masalah
1. Bagaimana mensintesis partikel nano dengan ukuran kristal ≤ 100 nm
berbahan dasar Fe3O4 dari pabrik (Aldrich) dengan metode kopresipitasi?
2. Bagaimana membandingkan komposisi fasa, morfologi dan sifat
kemagnetan Fe dari pabrik (Aldrich) dan bahan alam yang
dihasilkan dari proses sintesis?
1.3. Tujuan
1. Untuk mengetahui cara sintesis partikel nano dengan ukuran kristal ≤ 100 nm
berbahan dasar Fe3O4 dari pabrik (Aldrich) dengan metode kopresipitasi.
2. Untuk mengetahui cara membandingkan komposisi fasa, morfologi
dan sifat kemagnetan Fe dari pabrik (Aldrich) dan bahan alam
yang dihasilkan dari proses sintesis.
2.3. Manfaat
1. Mengetahui cara sintesis partikel nano dengan ukuran kristal ≤ 100 nm
berbahan dasar Fe3O4 dari pabrik (Aldrich) dengan metode kopresipitasi
3
2. Mengetahui cara membandingkan komposisi fasa, morfologi dan
sifat kemagnetan Fe dari pabrik (Aldrich) dan bahan alam
yang dihasilkan dari proses sintesis.
4
BAB II
PEMBAHASAN
2.1 Sintesis Partikel Nano Fe3O4 dengan Ukuran Kristal ≤ 100 nm dengan
Metode Kopresipitasi
Besi (II, III) oksida (Fe3O4) atau besi oksida besi juga dikenal sebagai
magnetite atau magnet dalam bentuk mineral (RM Cornell, 2003). Dalam
senyawa ionik, seperti oksida, bentuk-bentuk lebih kompleks magnetik terjadi
sebagai akibat dari struktur kristal. Bahan yang sangat bersifat magnetik disebut
Ferimagnetik. Kristal magnetik Fe3O4 dengan struktur spinel dapat dilihat dari
Gambar 2.1. Struktur tetrahedral: ion Fe dikelilingi oleh empat oksigen. Struktur
oktahedral: ion Fe dikelilingi oleh enam ion Oksigen (Moskowitz,1991).
Gambar 2.1 Struktur tetrahedral: ion Fe dikelilingi oleh empat oksigen
Partikel nano magnetik memiliki sifat fisis dan kimia yang bervariasi dan
dapat diaplikasikan dalam berbagai bidang. Salah satu partikel magnetik tersebut
yang dapat dijadikan berukuran nanometer adalah besi oksida seperti Fe3O4
(magnetit). Lao et al., 2004, meneliti bahwa partikel nano ini dapat dimanfaatkan
sebagai material untuk kegunaan sistem pengangkutan obat-obatan (Drug
Delivery System = DDS), Magnetic Resonance Imaging (MRI), dan terapi kanker.
Agar dapat diaplikasikan dalam bebagai bidang tersebut, sangatlah penting untuk
mempertimbangkan ukuran partikel, sifat magnetik, dan sifat permukaan dari
partikel nano itu sendiri. Gambar 2.2 berikut adalah (a) gambar serbuk Fe3O4 dan
5
(b) gambar struktur Fe3O4.
Gambar 2.2 a Gambar 2.2 b
Dalam beberapa tahun belakangan ini, para peneliti dapat mensintesis
partikel nano Fe3O4 dengan metode-metode yang berbeda. Seperti metode sol gel,
metode hidrolisis terkontrol, dan metode kopresipitasi dalam air. Apabila
dibandingkan, metode kopresipitasi merupakan metode paling sederhana karena
prosedurnya lebih mudah dilakukan dan memerlukan suhu reaksi yang rendah (<
100oC). Metode kopresipitasi merupakan proses kimia yang membawa suatu zat
terlarut ke bawah sehingga terbentuk endapan yang dikehendaki. Teknik ini sering
dipakai untuk memisahkan analit dari pengotornya.
Bahan utama yang digunakan dalam sintesa Fe3O4 adalah pasir besi dari
Aldrich, Larutan HCl 12,07 M dan NH4OH 6,49 M dipakai dalam sintesa dengan
metode kopresipitasi. Aquades digunakan sebagai bahan pencuci dalam proses
kopresipitasi. Partikel nano Fe3O4disintesis dengan metode kopresipitasi. Partikel
mikro Fe3O4 disintesis dengan metode kopresipitasi yang sebelumnya telah diuji
dengan XRD kemudian dilarutkan dalam HCl pada suhu ~ 70° C dan diaduk
sekitar 30 menit dalam magnetic stirrer. Adapun persamaan reaksinya sebagai
berikut :
Fe3O4 (s) + 8HCl(l) 2FeCl3 (l) + FeCl2 (l) +4H2O(l )
Setelah larutan terbentuk, NH4OH ditambahkan dalam larutan ini sambil di
aduk dengan pengaduk magnetik dan dipanaskan dengan magnetik stirrer pada
suhu ~ 70° C selama 30 menit. Adapun persamaan reaksinya sebagai berikut:
2FeCl3 (l) + FeCl2 (l) + 4H2O(l ) + 8NH4OH(l) Fe3O4(s) + 8NH4Cl(l)+8H2O(l)
Hasil reaksi yang dihasilkan kemudian dicuci berulang-ulang dengan
aquades sampai bersih dari pengotornya kemudian disaring. Cara pencucian
6
adalah dengan menempatkan hasil reaksi pada gelas ukuran besar kemudian diberi
aquades sebanyak yang bisa ditampung gelas itu. Magnet permanen ditempatkan
dibawah gelas dengan tujuan bisa menarik Fe3O4 supaya mengendap lebih cepat
dibandingkan Fe2O3. Bila sudah terjadi endapan didasar gelas air di dalam gelas
dibuang dengan penuangan yang hati-hati agar endapan kental yang berwarna
hitam (Fe3O4) tidak ikut terbuang. Kemudian bahan hasil endapan ini dikeringkan
di dalam oven pada suhu 70°C sekitar 2 jam.
Gambar 2.3 Skema kerja penelitian partikel nano Fe3O4 dari pasir besi pabrik (Aldrich)
7
2.2 Perbandingan Komposisi Fasa, Morfologi, dan Sifat
Kemagnetan Fe dari Pabrik (Aldrich) dan Bahan Alam
yang Dihasilkan dari Proses Sintesis
Dalam membandingkan komposisi fasa, morfologi, dan sifat kemagnetan
Fe ada 2 macam Fe3O4 yaitu yang berasal dari pabrik (Aldrich) dan bahan alam
yang dihasilkan dari proses sintesis. Kedua sampel dianalisis dengan uji XRD.
Hasilnya menunjukkan bahwa lebar puncak dari masing-masing grafik sampel
(gambar 2.4) menunjukkan banyaknya sinar-X yang terhambur pada bidang dhkl
yang sama. Sehingga semakin tinggi puncak difraksi maka semakin banyak
sinar-X yang terhambur pada bidang dhkl yang sama. Lebar dan tinggi grafik
XRD mengidentifikasikan ukuran partikel dari suatu sampel. Hal ini terlihat dari
XRD pada bahan Fe3O4 dari pasir besi yang belum disintesis mengalami
pelebaran grafik setelah disintesiss. Begitu pula pada Fe3O4 yang berasal dari
Aldric yang belum disintesis memiliki FWHM yang lebih besar dari pada yang
telah disintesis. Dengan demikian bahan yang telah disintesis dengan metode
kopresipitasi memiliki sifat lebih nanokristalin dari pada yang belum disintesis.
Gambar 2.4 Pola XRD dari serbuk Fe3O4 sebelum dan sesudah disintesis, Fe3O4 dari Aldrich sebelum dan sesudah disintesis
8
Berdasarkan hasil pola difraksi sinar X pada gambar 2.4 kemudian
dilakukan analisa secara kualitatif yaitu dengan identifikasi fasa yang didasarkan
pada pencocokan data posisi-posisi puncak difraksi yang terukur dengan basis
data (database). Fasa-fasa yang telah dikompilasi yaitu dalam bentuk CD PDF
(Powder Difraction File). Setelah itu pencarian posisi puncak dan pencocokan
pada fasa basis data dilakukan dengan langkah mencari dan mencocokkan
(search-match) secara manual. Agar dapat diketahui kandungan fasa yang ada di
dalamnya selanjutnya dilakukan analisa kuantitatif untuk menentukan prosentase
fraksi volume Fe3O4 pada pasir besi dengan menggunakan metode hanawalt. Dari
hasil perhitungan didapatkan prosentase fraksi volume dari Fe3O4 adalah sebesar
64.15%. Sedangkan pada serbuk Fe3O4 yang berasal dari Aldric mengandung
100% Fe3O4 sesuai lisensi.
Semua puncak pola difraksi untuk sampel tersebut teridentifikasi sebagai
fasa Fe3O4 berstruktur kubik dengan konstanta kisi a = 8,356 Å, yang mendekati
dengan data ICSD No. 82237 (a = 8,3873 Å). Data hasil XRD juga digunakan
untuk menentukan ukuran kristal masing-masing sampel dengan menggunakan
software Maud. Hasil pengolahan Fe3O4 dari pasir besi alam setelah disintesis
ukuran kristalnya 10,9 ± 0,3 nm yang sebelumnya berukuran 384,2 ± 0,2 nm.
Sedangkan hasil olah data dengan Maud untuk sampel Fe3O4 yang berasal dari
Aldrich memiliki ukuran kristal sebesar 77,2 ± 1,28 nm dan setelah disintesis
dengan metode kopresipitasi ukuran kristalnya menjadi 5,5 ± 0,1 nm.
9
Gambar 2.5 Grafik distribusi ukuran Kristal Fe3O4
Distribusi ukuran masing-masing partikel didapat dari hasil refinement
dengan menggunakan Maud. Berdasarkan pada grafik 2.5 di atas pada sampel
Aldric yang telah disintesis (warna biru) memiliki keseragaman ukuran lebh besar
dari pada pasir besi yang telah disintesis. Ukuran partikel rata-rata Fe3O4 yang
telah disintesis sebsesar 5,5381±1,2521 dengan frekuensi 0,3. Hal ini
menunjukkan bahwa Fe3O4 yang telah disintesis dari Aldrich memiliki sifat lebih
monodispersif dari pada Fe3O4 yang telah disintesis dari pasir besi, karena Fe3O4
yang disintesis dari pasir besi hanya memilki keseragaman partikel dengan
frekuensi terbanyak 0,05. Sedangkan nilai varian menunjukkan jangkauan
keseragaman ukuran dari sampel. Pada sampel Fe3O4 yang telah disintesis dari
Aldrich memiliki varian 1,2 ± 0,1 nm (antara 1,1~1,3) lebih kecil dari pada
sampel yang lain. Hal ini menunjukkan bahwa sampel Fe3O4 memiliki
keseragaman ukuran yang tinggi (monodispersif) dibanding dengan sampel yang
lain. Pada Fe3O4 dari pasir besi yang telah disintesis juga memiliki varian yang
kecil pula 1,9 ± 0,3 nm (antara 1,6~2,2), sehingga Fe3O4 yang dari pasir besi ini
juga monodispersif. Sedangkan Fe3O4 dari Aldrich yang belum disintesis memiliki
ukuran yang tidak seragam, terlihat dari grafiknya yang memiliki jangkauan dari
10 nm sampai dengan 85 nm dan masing-masing ukuran memiliki frekuensi yang
besar. Hal tersebut menandakan bahwa dalam sampel Aldrich yang belum
disintesis ukuran kristalnya tidak seragam atau polidispersif. Apabila semua
ukuran kristal itu dirata-rata akan menghasilkan sebesar 77,2 ± 1,3 nm (antara
75,9~78,5).
Sifat kemagnetan dari serbuk ferit yang telah disintesis, dapat diketahui
dengan menggunakan alat VSM (Vibrating sample magnetometer) dan didapatkan
kurva histeresis masing-masing bahan (Gambar 2.6) yang menghasilkan besaran
medan magnetisasi remanen Mr, yaitu magnetisasi yang tersisa ketika medan luar
H ditiadakan dan medan koersivitas Hc, yaitu besarnya medan yang dibutuhkan
sama dengan nol (medan demagnetisasi).
10
Gambar 2.6 Kurva histeresis sampel Fe3O4 dari pasir besi, Aldrich
(Aldrich mikro) dan yang telah disintesis (Aldrich nano)
Bahan Fe3O4 yang telah dihasilkan dari Fe3O4 Aldrich dan pasir besi
keduanya memiliki ukuran partikel rata-rata yang tidak terlalu besar
perbedaannya, yaitu sama-sama dibawah 10 nm dan nilai momen magnetik
maksimum yang tidak jauh berbeda, perbedaan momen magnetik maksimumnya
sebesar 1,67 x 10-2. Fe3O4 dalam ukuran nano dari pasir besi dan dari Aldrich
memiliki kualitas yang sama bila dilihat dari sifat fisisnya (ukuran partikel dan
sifat kemagnetannya), namun pasir besi memiliki nilai ekonomis yang lebih tinggi
karena jauh lebih murah dari pada Fe3O4 dari Aldrich.
No. Sampel Ms (emu/gr) Hc (Tesla)
1. Pasir besi ukuran nano
(10,9 ± 3.4) nm46,3 1,6 x 10−2
2. Fe3O4 Aldrich
(77,2 ± 12,8) nm100,4 2,94 x 10−2
3. Fe3O4 Aldrich
(5,5 ± 1,3) nm54,6 2,00 x 10−2
Gambar 2.7 Tabel besar medan saturasi Ms dan medan koersivitas
Hc dari beberapa serbuk ferit.
11
BAB III
Kesimpulan
Berdasarkan penjelasan pada literatur, maka didapatkan kesimpulan sebagai
berikut :
1. Cara mensintesis partikel nano dengan ukuran kristal 100 nm berbahan dasar
Fe3O4 dari pabrik (Aldrich) dengan metode kopresipitasi adalah sebagai
berikut :
- Pasir besi Aldrich diuji XRD.
- Dilarutkan dengan HCl lalu larutan diaduk dengan pengaduk magnetik
pada suhu 70°C.
- Didapatkan larutan hasil reaksi yang kemudian disaring dengan kertas
saring & diambil larutannya.
- Didapatkan larutan hasil yang kemudian ditambahkan NH4OH dan diaduk
dengan pengaduk magnetik pada suhu 70°C.
- Terbentuk endapan yang dikeringkan di oven pada suhu 70°C selama 2
jam lalu dicuci berulang kali dengan aquades.
- Terbentuk serbuk Fe3O4 yang kemudian dikarekterisasi XRD, TEM, dan
VSM untuk mengetahui ukuran partikel nano.
2. Ukuran kristal Fe3O4 yang dihasilkan dari sinteseis Fe3O4 Aldrich adalah 5,5
± 1,3 nm dan dari pasir alam sebesar 10,9 ± 3,5 nm. Dari hasil analisis sifat
magnet diperoleh nilai medan saturasi MS untuk ferit Fe3O4 dari pasir besi,
Aldrich yang belum disintesis dan Aldrich yang telah disintesis berturut-turut
sebesar 46,3 emu/gram, 100,4 emu/gram, 54,6 emu/gram dan medan
koersifitas, HC sebesar 1,69x 10-2 Tesla, 2,94x10-2 Tesla, 2,00x10-2 Tesla.
12
DAFTAR PUSTAKA
Lemire, C. dkk (2004). The surface structure of Fe3O4(1 1 1) films as studied by
CO adsorption. www.sciencedirect.com, Volume 572, Issue 1, hal 103-
114.
Liong, Sylvia (2005). A Multifunctional Approach to Development, Fabrication,
and Characterizations of Fe3O4 Composite. Disertasi, Gorgia Institut of
Technology.
http://smartech.gatech.edu/bitstream/1853/7640/1/liong_silvia_200512_ph
d.pdf.
Moskowitz, Bruce M. (1991). Classes of Magnetic Materials.
http://www.irm.umn.edu/hg2m/hg2 m_b/hg2m_b.html
Sholihah, Lia Kurnia. 2010. Sintesis dan Karakterisasi Partikel Nano Fe3O4 yang
berasal dari pasir besi dan Fe3O4 Bahan Komersial (Aldrich). ITS :
Surabaya.
Valenzuela, R., Fuentes, M. C., Parra, C., Baeza, C., Duren, N., Sharma, S. K.,
Knobel, M., Freer, J. 2009. “Influence of stirring velocity on the synthesis
of magnetite nanoparticles (Fe3O4) by the co-precipitation method”.
Journal of Alloys and Compounds 488: 227–231.
13