p~ ~ N~ I:I~ N~ .l ~ X Kt 4, ISSN 1410-76'16

PENENTUAN PUNCAK DIFRAKSI CUPLlKAN PORASILDAN POLIMER PS-PI DENGAN SANS -BATAN

A. Ikram, A. Insani, Indarto P. U, S. M. Prasetyo dan Wahyu H

Puslitbang Iptek Bahan -BATAN; Kawasan Puspiptek Serpong, Tangerang

ABSTRAK

PENENTUAN PUNCAK DIFRAKSI CUPLIKAN PORASIL DAN POLIMER PS.PI DENGAN SANS.BATAN. Telah dilakukan penentuanpuncak difraksi dari cuplikan porasil dan polimer PS-PI dengan menggunakan peralatan SANS-BAT AN di Serpong. Pembandingan hasilnyadengan pengukuran sarna yang dilakukan di KAERI, Korea menunjukkan bahwa meskipun dengan set-up berbeda, kedua peralatan SANS yangmemang bel urn sempurna tersebut telah memiliki kemampuan dan resolusi yang cukup memadai dan setara. Puncak difraksi dari cuplikan PS-PIdiperoleh pada harga 0,246 nm-1 ; sedangkan puncak porasil didapat pada harga 0,298 nm-1 (posisi detektor 10m) dan 0,308 nm-1 (posisi detektor5m). Penelitian ini juga menunjukkan bahwa untuk dua set-up eksperimen berbeda, peralatan SANS BATAN memberikan hasil pengukuran yangsarna dalam batas-batas ketelitian yang bisa didapatkan. Dengan hasil tersebut penelitian ini telah memberikan indikasi yang kuat bahwa peralatanSANS BATAN di Serpong telah dapat dimanfaatkan untuk penelitian yang berkaitan dengan struktur yang memiliki keteraturan berukuran 5r:msampai 100nm.

ABSTRACT

DETERMINATION OF DIFFRACTION PEAKS FROM PORASIL AND PS.PI POLYMER SAMPLES USING SANS-BATAN MACHINE.Determination of diffraction peaks from PS-PI polymer and Porasil samples have been conducted in Serpong using SANS BAT AN machine.Comparing the results with the same measurements conducted in KorDa using SANS :<AERI suggests that eventhough the set-up of the twoinstruments were different and both were not in perfect condition yet, they have already had capabilities and resolution in good enough stage. Thediffraction peak of PS-PI polymer sample was found at 0.246 nrn-1 and porasil sample gave diffraction peaks at 0.298 nm-1 (10m detector position)and 0.308 nm-1 (5m detector position). This measurement has also shown that for two different experimental set-ups SANS BATAN is capable ofobtaining the same results within its resolution boundaries. With this result, the measurements have provided solid confirmation that SANS BATANmachine is ready to be utilized for any research involving structures with long range order in the range of 5nm and 100nm. .

PENDAHULUAN

digunakan, kolimator untuk menjaga tingkat kolimasi(ke-paralel-an) berkas neutron yang sampai pactacuplikan serta detektor yang berfungsi menentukan posisineutron yang dihamburkan. Meskipun tidak banyakjumlahnya, peralatan yang ada saat ini di dunia masing-masingnya memiliki berbagai cakupan rentangmomentum tranfer berbeda sehingga dapat mengamatiberbagai ukuran fenomena. Kalibrasi peralatan dapatdilakukan dengan mengkalibrasi setiap komponentersebi.lt. Namun karena hal ini akan banyakmengkonsumsi waktu dan tenaga, maka saat ini padaberbagai peralatan SANS dilakukan pengkalibrasiansecara menyeluruh .dengan memanfaatkan cuplikanstandar .

Hamburan neutron sudut kecil (SANS)merupakan teknik altematif untuk mengamati berbagaifenomena pada bahan dengan struktur keteraturanberukuran puluhan sampai ribuan angstrom, seperti padamakromolekul polimer daD presipitat misalnya.Kelebihan teknik ini terutama pada daya tembusneutronnya yang besar terhadap hampir semua bahansehingga penggunaan cuplikan dalam bentuk bulk dapatdilaksanakan. Selain tidak diperlukannya penyiapancuplikan yang memerlukan keahlian tersendin,penentuan ukuran presipitat dengan teknik ini dapatmemberikan harga rata-rata sebenamya dari ukuranpresipitat di dalam bulk terse but.

Peralatan SANS yang ada di dunia saat inibiasanya terdiri dari berbagai komponen denganfungsinya masing-masing, antara lain monokromatoruntuk menyeleksi panjang gelombang yang ingin

Pada penelitian ini dilakukan pengamatan polahamburan neutron dari cuplikan polimer PS-PI daDporasil yang memberikan puncak hamburan pada sudut

~I 6 J~ 2001

Pc~c~i,.~~ P~ ~ [!~t!~k P~ ~ P~ PS-PI ~ ~NS .WANA.I~I~

kecil yang dapat diarnati dengan peralatan SANS.Mengingat teknik SANS ini merupakan teknik yangrelatif baru di Indonesia, maka pada makalah ini Jatarbelakang teori harnburan neutron sudut kecil disajikansecara umum untuk memberikan garnbaran singkatmengenai proses pengambilan dan pengolahan datahamburan tersebut.

Untuk sistem dengan presipitat-presipitat yang terpisahcukup jauh antara satu dengan lainnya, faktor I(Q) padapersamaan (1) dapat diabaikan. Sehingga dengansubsitusi persamaan (2), persamaan (1) dapat ditulismenjadi :

TEORISANS\

Hamburan neutron sudut kecil muncul karenaadanya fluktuasi kerapatan panjang hamburan padabahan [I]. Fluktuasi tersebut sebagai contoh dapatditimbulkan oleh munculnya rasa kedua (presipitat

misalnya) pada matriksnya. Sebagai konsekuensinyaapabila tidak terjadi fluktuasi maka intensitas hamburanneutron sudut kecilnya akan tidak bergantung pada suduthamburannya (flat). Tampang lintang SANS daripresipitat-presipitat yang terdistribusi secara acakdiberikan melalui ekspresi sebagai berikut :

(5)

Rg dapat diperoleh melalui kurva logaritmik tampanglintang sebagai fungsi dari Q2. Menggunakan leastsquare fitting, kemiringan kurva dan harga konstantanya(perpotongan kurva dengan absisnya) dapat diperolehmelalui bagian linier dari kurva tersebut untuk kemudiandigunakan Jalam mengevaluasi harga Rg dan G. Untukpresipitat dengan bentuk bola dan jarum, jari-jari danpanjang presipitat dapat diperoleh melalui persamaan (3)dan (4). Densitas dari presipitat yang dinyatakan dalamfraksi volume diperoleh melalui konstanta G. Daripersamaan (5) dengan diketahuinya harga-harga V p, Ndan t1p maka fraksi volume np dapat dihitung.

dr.dO (1)

TATA KERJA

Cuplikan Polimer PS-PI don PorasilPolimer PS-PI adalah polystyrene-block-

polyisoprene yang didapat dari hidrogenisasipolyisoprene dengan derajat hidrogenisasi lebih dari90%. Pada cuplikan ini terdapat 10000 molekul PS-PIdengan rasio styrene terhadap isoprene sebesar 60/40wtO/o. Sementara itu porasil adalah porous silica yangdibuat khusus sehingga memiliki keteraturan tertentu.Keteraturan ini telah distandarkan untuk peralatan SANSdengan tampang lintang hamburan 45 (I) cm-1 danpanjang korelasi (correlation length) 2,15 (0,1) nrn [4].

dimana np adalah jumlah presipitat per satuan volume,sedangkan / V; \ adalah kuadrat dari volume rata-ratasebuah pres)pl~t, N adalah jumlah atom per satuanvolume daD (Ap) adalah perbedaan rata-rata rapatpanjang hamburan antara presipitat daD matriksnya, F(Q)adalah faktor bentuk yang menyatakan hamburan darisebuah presipitat daD tanda ( ) menyatakan harga rata-rata yang melingkupi berbagai ukuran daD orientasi daripresipitat. I(Q) menyatakan hamburan yang disebabkanoleh interface effect di antara presipitat-presipitattersebut.Faktor bentuk di atas dapat didekati melalui [2]:

(2) Penyiapan Cup/ikonPolimer PS-PI yang hendak diukur perlu

disiapkan sehingga dapat ditempatkan dalam wadahcuplikan SANS daD memberikan pola hamburan yangoptimal. Untuk itu perlu dilakukan pelarutan danpengeringan sehingga diperoleh bentuk cuplikan yangsesuai. Pertama-tama polimer PS-PI tersebut dilarutkandalam toluen sehingga terbentuk larutan polimer 5 mojo.Selanjutnya larutan ini dituangkan ke dalam petri dishyang beralas datar. Kemudian untuk pengeringan denganproses penguapan, petri dish tersebut diletakkan di atastatakan pada suatu ketinggian dalam sebuah bejana gelas.Bejana gelas tersebut ditutup dengan pelat gelas,sementara di dalamnya diletakkan pula sebuah botolterbuka yang berisi toluen. Untuk menjaga lajupenguapan toluen, diletakkan sekerat foil aluminiumsehingga ada rongga antara bibir bejana gelas daD pelatgelas yang menutupinya. Penguapan lambat untuk

Aproksimasi ini berlaku secara umum untuk QRg < 1,5,

dimana Rg dikenal sebagai jari-jari girasi (jari-jariGuinier). Hubungan antara jari-jari girasi dengan jari-jaripresipitat dapat dinyatakan sebagai berikut [3]:

untuk presipitat berbentuk bola dengan jari-jari R. ,

(4)

~ ~ J~ 200172

untuk presipitat dengan bentuk jarum (needles)dengan panjang L. ,

Pt..t~-~:. P~ ~ ~ P~ ~ P~ PS-P' ~ SANS -8ATANA.'~,m

, , , ! , ~! i I ~ fi~8 !

..; ~~ :~.=...t ;

pengeringan cuplikan ini dilakukan pada suhu ruangselama 1 minggu.

Polimer kering yang diperoleh pada dasar petridish ditempatkan dalam oven vakum pada suhu ruanguntuk dikeringkan lebih lanjut. Setelah beratnya tidakberubah, film polimer yang terbentuk dilepaskan daridasar petri dish dengan hati-hati. Dari cuplikan as-castini dibentuk cuplikan yang siap dianalisa denganperalatan SANS.

15xlCJ'

,-,=.u 10'-'C

.~-c"=- ..i~

_..

1'Pengukuran dengan SANS

Pengukuran dengan SANS ini dilakukan diBAT AN Serpong rnenggunakan peralatan SANS yangacta di Laboratoriurn Hamburan Neutron, BalaiSpektrornetri -P3IB dengan rnernanfaatkan kegiatanpenelitian dan kerja sarna Asia Pasifik dalam bidangharnburan neutron. Gambar skernatik dari peralatanSANS BA TAN diberikan pada garnbar I.

0.1 0.2 0.3 0.4

q (nm-1

0.5 0.6

Gambar 2. Kurva Intensitas cuplikan Polimer PS-PIdari peralatan SANS BAT AN

Tampak bahwa pemilihan posisi detektor pactaharga 10m yang memberikan rentang momentum transferdQ = 0,06 -0,5 om-I adalah sangat tepat sehingga

diperoleh puncak difraksi secara utuh. Dari kurva inidapat ditentukan posisi puncak pacta 0,246 om-I daDFWHM yang cukup baik sebesar 0,069 om-I. Sementaraitu basil pengukuran dengan SANS KAERI di Koreadisajikan pacta gambar 3 [6].

"""""'..1~-~'-" I """"a,;.,.",..

I""'~.- / ~ -.,..-

Gambar 1. Diagram Skematik Peralatan

SANS-BATAN, Serpong

Peralatan SANS ini menggunakan neutron yangberasal dari Reaktor Serba Guna GA Siwabessy (RSGGAS) melalui tabung berkas S5. Neutron tersebutdisalurkan ke peralatan SANS melalui tabung pemanduneutron yang dilengkungkan sehingga mengurangigangguan latar belakang yang berasal dari neutron cepat.Berkas neutron yang keluar dari tabung pemandudimonokromatisasi menggunakan selektor kecepatanmekanik. Jarak antara cuplikan dan detektor (L) dipilihpada posisi 10m dan 5m. Dengan mengkombinasi hargaL daD panjang gelombang neutron, A = 0,4 nm diperolehselang transfer momentum t1.Q = 0,06 -0,9 nm-1 dimanaQ didetinisikan sebagai : Q = {47t sin (0/2)}/ A (0 =sudut hamburan ; A = panjang gelombang neutron)

Dengan pengambilan panjang gelombang yangbesar ini, efek dari hamburan Bragg ganda dapatdihindari. Pemilihan harga t1.Q tersebut memungkinkanuntuk diamatinya struktur keteraturan berukuran mulaidari 5 nm sampai 100 nm. Berkas neutron yangterhambur dideteksi dengan position sensitive detector(PSD) dua-dimensi, yang berisi gas 3He, dengan jumlahelemen 128 x 128. Uraian lengkap mengenai SANSBATAN ini telah disajikan dalam makalah lain [5].

0 20 ~ 60 80 100 120

Qx=0.0247A-1 for 10 chane.2Ol ' ;~ ' '1

...

...10

~ .__f

'.~'.1\~~..

.5x;0-10.~1 0.02 0.;0~1Q A-I

Gambar 3. Data pengukuran cuplikan PolimerPS-PI dengan peralatan SANS KAERI

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil pengukuran dengan teknik hamburanneutron sudut kecil (SANS) untuk cuplikan polimer PS-PI disajikan pada Gambar 2.

Pada gambar di sebelah atas disajikan pola duadimensinya yang isotropis, sedangkan gambar di sebelah

~I 6 J~ 2001 73

p~ p~ ~~ c#... P-d ~ p~ PS-PI ~ SANS -rATANA. '~, ,i#

bawah ditampilkan kurva satu dimensi. Dari gambar initelah ditentukan posisi puncak difraksi pada 0,272 om-Idengan FWHM sebesar 0,090 om-I. Hal ini menunjukkankesesuaian yang sangat tinggi diantara kedua peralatanSANS tersebut dengan kualitas gambar daD resolusi yangsetara.

Pada bagian atas gambar 5 disajikan polahamburan neutron dua dimensinya yang menunjukkankeseragaman hamburannya dalam semua arah, sementaragambar bawah menunjukkan kurva satu dimensinya. Darigambar bawah ini dapat dilihat bahwa puncak yangdiperoleh agak melebar dengan posksi pada hargamomentum transfer 0,32 nm-1 dengan FWHM sebesar0,30 nm-l. Dari basil ini dapatlah dikatakan bahwapengukuran cuplikan porasil dengan peralatan SANSBA TAN memberikan basil yang lebih baik daripadayang dilakukan dengan SANS KAERI pada saat itu.Kenyataan ini memberikan peluang kepada berbagaipenelitian lainnya untuk menggunakan peralatan SANSBA TAN dalam mendukung penelitian yang melibatkanpengamatan struktur dengan keteraturan berukuran 5nm-lOOnm. Tabel 1 menyajikan hasil pengukuran yangdilakukan oleh kedua peralatan SANS tersebut.

Gambar 4 menampilkan hasil SANS BA TANterhadap cuplikan porasil dengan dua posisi detektorberbeda (10m dan 5m). Posisi puncak yang didapatberturut-turut adalah 0,298 nm-1 dan 0,308 nm-1 denganFWHM masing-masing sebesar 0,185 nm-1 dan 0,233

-Inm.

Tabel1. Posisi puncak hamburan neutron daricuplikan Polimer PS-PI dan Porasil

berikut FWHMnya

SANS-BATANSANS KAERI

[6}Cuplikan L = 10 m L=5m

0.0 0.% 0.4 0.6 0;8

q (nmoJ)

Gambar 4. Kurva Intensitas cuplikan Porasil dariperalatan SANS BAT AN

pada posisi detektor 10m dan 5 m

0,297 nm-1(0,100 nm-l)

0,32 nm-1(0,18 om-')

0,272 nm-1

(0,090 nm')

0,308 nm-1(0,401 nm-1Porasil

0,245 nm-1(0,070 nm-1

PS-PI

Cuplikan yang sarna juga diukur denganperalatan SANS KAERI dan hasilnya ditunjukkan padagarnbar 5.

Selain itu, gambar 4 juga memberikan indikasibah,va unttilc dua !let-up eksperimen yang berbeda (posisidetektor 10m daD Sm, kombinasi pin-hole daD lain-lain),peralatan SANS BA TAN telah memberikan basil yangsarna dalam batas-batas ketelitian daD resolusi yang dapatdicapainya. Ketelitian peralatan SANS ini masih dapat

ditingkatkan dengan berbagai pengembanganinstrumentasi maupun pengaturan komponen-komponennya, tennasuk peningkatan fluks neutronmaupun waktu pengukuran yang sangat mempengaruhistatistik dari data yang diperoleh [7].°0 to 0.-0,02474-1 tor 10 c.G.'

~I

",.--,..

KESIMPULAN

,"'.

~'"

Hasil pengukuran cuplikan polimer PS-PI danporasil dengan peralatan SANS di BA TAN dan KAERImenunjukkan hasil yang sangat sesuai dan memadai,baik dari sudut kualitas data yang diperoleh maupunkecocokan angka yang didapat dalam batas-batasketelitian dan resolusi yang bisa didapat keduanya.Pengukurall irli telah membuktikan bahwa keduaperalatan SANS yang masih berkembang itu telahmampu memberikan hasil yang dapat dipercaya.Sementara itu, peralatan SANS BAT AN telah pulamenunjukkan hasil yang memadai untuk dua buah set-up

~

t!'

.I , ; 0:'" .m .M.:'

0 A-I

Gambar 5. Data pengukuran cuplikan Porasildengan peralatan SANS KAERI

~1 6 J~ 200174