171
Penerapan Metode Dinamika Molekul untuk Pembelajaran:
Konsep Titik Leleh dan Perubahan Wujud
Widiasih
1, Herawati
2, Heni Safitri
3, Artoto Arkundato
41,2,3
Pendidikan Fisika, Jurusan PMIPA, Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan, Universitas Terbuka
4
Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Jember
Email:widiasih@ut.ac.id, hera@ut.ac.id, henip@ut.ac.id,a.arkundato@gmail.com
Diterima (9 Juli 2013), direvisi (24 Juli 2013)
Abstract. Molecular dynamics method has been applied to model the phase transition of the
aluminium (Al). We used the LAMMPS molecular dynamics code to simulate the physical process of the phase transition and observing the dynamics of atoms by using Jmol vizualitation code. From the simulation data we found that the phase transition where the melting point of the material is, can be observed at temperature T = 1059,75 K. In this view we may use the molecular dynamics method as an innovative model of physical learning model in senior high school level, as an alternative of dry lab.
Keywords: Molecular dynamics method, Phase transition, Melting point, LAMMPS.
Abstrak. Metode dinamika molekul sebagai salah satu metode komputasi material yang handal
untuk prediksi sifat-sifat fisis dan kimia bahan digunakan dalam peneltian ini. Dengan metode ini gerak atom-atom bahan dapat dipelajari dan divisualisasikan dengan sangat baik dan informatif sehingga mampu menggambarkan proses fisis yang terjadi secara mikroskopis, misalanya pada fenomena transisi fase atau perubahan wujud bahan. Pada penelitian ini metode dinamika molekul yang direalisasikan dalam bentuk perangkat lunak LAMMPS digunakan untuk dapat menggambarkan proses transisi fase yang terjadi sekaligus memperkirakan nilai titik leleh bahan yang diteliti. Dalam simulasi, panas diberikan kepada bahan secara bertahap mulai dari keadaan suhu rendah sampai suhu tinggi di perkirakan diatas titik lelehnya. Keadaan bahan setiap fasenya dilihat dengan mengukur fungsi RDF bahan dan juga melihat struktur kristal bahan dengan menggunakan perangkat lunak Jmol, untuk menentukan nilai titik leleh bahan. Metode dinamika molekul ini dapat diterapkan untuk model inovatif pembelajaran konsep perubahan wujud bahan dalam fisika untuk dapat memudahkan pemahaman konsep fisika yang diberikan kepada siswa. Pada penelitian ini diukur titik leleh logam alumunium yang memperlihatkan bahwa titik lebuhnya sekitar T = 1059,75 K.
Kata Kunci: Metode dinamika molekul, Transisi fase, Simulasi titik leleh, LAMMPS.
PENDAHULUAN
Metode dinamika molekul (MD) merupakan salah satu metode komputasi fisika yang popular untuk mensimulasikan gerak atom, molekul dan obyek berukuran besar seperti planet dalam galaksi.
Dengan metode MD gerak atom-atom bahan jika mengalami pengaruh dari luar seperti akibat pemanasan, dapat amati dari waktu ke waktu. Secara ringkas metode MD memerlukan informasi koordinat awal atom, kondisi simulasi (temperatur, tekanan, rapat partikel, dan lain-lain), fungsi potensial interaksi antar atom untuk
--- *Coresponding author: E-mail: widiasih@ut.ac.id
172
obyek yang akan disimulasikan dan spesifikasi obyek yang disimulasikan (massa, muatan, jumlah atom, dan lain-lain). Pada dasarnya dinamika molekul memerlukan informasi yang akurat untuk
fungsi potensial interaksi
tersebut.Semakin akurat fungsi potensial yang menggambarkan interaksi antar partikel, atom dan molekul maka semakin
akurat hasil simulasi yang kita
dapatkan.Di lain pihak, metode dinamika
molekul sebenarnya berangkat dari
pemikiran menyelesaikan persamaan
gerak Newton kedua (
dt p d F ) untuk
sistem fisis yang diteliti.Solusi persamaan gerak Newton tersebut menggambarkan
trayektori atom-atom bahan dan selanjutnya menggunakan fisika statistik dapat dihitung dan dapat diprediksi nilai besaran-besaran termodinamiknya seperti enthalpi bahan, koefisien difusi, dsb.
Tulisan ini memaparkan bagaimana metode MD diterapkan untuk merancang
model pembelajaran fisika inovatif
mengenai konsep fisika perubahan wujud bahan (dry lab). Kelebihan model ini gambaran mikroskopik struktur bahan selama proses perubahan wujud zat, pergerakan atom-atom selama proses pelelehan dapat divisualkan, dimana hal ini sulit dilakukan secara eksperimen. Pada penelitian metode MD diterapkan
untuk mempelajari titik leleh dan
perubahan fase bahan aluminium (Al).
METODE PENELITIAN Program simulasi dinamika molekul yang digunakan pada penelitian ini adalah LAMMPS, yang dapat diunduh dari website http://lammps.sandia.gov.
Program LAMMPS adalah program
open-source yang dapat diunduh gratis
bahkan dapat dimodifikasi disesuaikan
dengan kebutuhan, termasuk untuk
pembelajaran. Selanjutnya simulasi
Gambar 1. Diagram alir langkah-langkah
penelitian
logam aluminium langkah-langkahnya dapat diringkas dalam diagram alur sebagai berikut (Gambar 1):
Keterangan:
(4) Program LAMMPS dijalankan dengan input temperatur yang naik setahap demi setahap mulai dari temperatur rendah naik sampai beberatus di atas perkiraan titik lelehnya.
HASIL DAN PEMBAHASAN
Prediksi temperatur leleh logam
Aluminium
Data-data hasil simulasi meliputi step integrasi, temperatur, energi potensial, energi total dan sebagainya sesuai script input. Pada penelitian ini simulasi dijalankan dalam 130000 step integrasi dengan algoritma Verlet.
(1) Unduh code LAMMPS (pilih Windows) dari http://lammps.sandia.gov dan menyimpan ke PC dalam folder
sembarang
(2) Unduh file potensial EAM (pilih misal untuk Al) dari
http://www.ctcms.nist.gov/potentials/ simpan di folder yang sama
(3) Buat file script untuk input LAMMPS dengan nama sembarang dalam
folder yang sama
(4) Jalankan code LAMMPS dari command prompt C:\ (6) Buat analisis, kesimpulan dan visualisasi dari hasil (5) Unduh code vizualisasi Jmol dari www.jmol.org dan simpan di folder yang sama
173 Untuk mengetahui temperatur titik
lebur logam Al, maka kita buka file log.lammps kemudian dibuat plot data temperatur T (sumbu horizontal) dengan energi total sistem ET (sumbu vertikal). Dari grafik T-ET terlihat ada daerah dimana terjadi perubahan tiba-tiba pada
kurva energi total. Gambar 2
memperlihat grafik T-ET untuk logam Al.
Dari Gambar 2 perubahan fase terjadi antara T1 dan T2.Untuk hasil
simulasi terbaik maka seharusnya
perubahan hanya terjadi pada satu garis, yaitu pada satu nilai T.Pada hasil simulasi terdapat dua titik T1 san T2. Namun bisa
diambil pendekatan dengan nilai
tengahnya yaitu: 2 1 2 1 T T T T (1)
Dari data hasil simulasi dan
berdasarkan penafsiran terhadap grafik
T-ET pada Gambar 2, dan menggunakan pers.(7) maka dapat dihitung temperatur titik lebur logam Al adalah sekitar T = 1059,75 K pada step integrasi ke 78200.
Perubahan fase dari padat menjadi cair dapat digambarkan lebih informatif
berdasarkan gambaran strukur
mikroskopik material, yaitu dengan
melihat posisi atom-atom penyusun
material. Pada studi ini material aluminium sebelum diberikan panas yang
makin meningkat adalah kristal
berstruktur FCC seperti pada Gambar 3 di bawah ini.
Gambar 2. Grafik T-ET untuk perubahan fase
padat-cair logam Al
Gambar 3. Konfigurasi awal logam Al struktur
kristal FCC untuk simulasi (dengan code vizualisasi Jmol.
Gambar struktur mikro dikerjakan dengan program code Jmol yang dapat diunduh dari website www.jmol.org. File yang diplot adalah posisi-posisi 1280 atom Al yang menyusun material untuk berbagai temperatur. File-file koordinat (x,y,z) dapat dilihat pada file dump yang dikeluarkan oleh program LAMMPS.
Simulasi dijalankan dan dimulai dari temperatur T nol absolut pada step ke nol kemudian temperatur dinaikan secara
gradual sepanjang simulasi sampai
mencapai temperatur 1950,51 K pada step
ke 130000. Pada Gambar 4
memperlihatkan hasil simulasi setelah step ke 60000 (T= 840,49 K) struktur alumunium masih belum sepenuhnya mencair, sedangkan pada step ke 70000 (T = 1011,11 K)sudah lebih acak atom-atomnya. Pada step ke 80000 terlihat material Al sudah meleleh seluruhnya.
Gambar 4. Gambaran struktur mikro dari
Aluminium untuk berbagai temperatur
174
Gambar 5. Struktur mikro Aluminium pada T =
1950,51 K pada step 130000
Dari Gambar 4 dapat kita lihat antara T = 1011,11K dan T = 1015,07 K terjadi perubahan struktur yang dramatis dari cenderung padat ke keadaan fase cair. Oleh karena itu prediksi temperatur titik lebur dicapai pada T = 1059,75 K
adalah beralasan. Gambar 5
memperlihatkan struktur mikro
alumunium pada T = 1950,51 K (pada step 130000) jauh diatas titik lebur. Namun terlihat bahwa struktur mikro bahan Al pada step 130000 mirip dengan struktur bahan pada T = 1015,07 K pada step 80000. Oleh karena itu pada step ke 80000 bahan diprediksi sudah masuk fase cair, sedangkan titik lebur dimana terjadi perubahan dari padat ke cair diprediksi pada T = 1059,75 K .
KESIMPULAN
Dengan metode MD dapat diprediksi titik lebur logam aluminium (Al) adalah pada T = 1059,75 K. Gambaran struktur mikro bahan mulai dari padatan, setengah padat sampai dalam bentuk fase cair dapat dijelaskan dengan baik dan informatif berdasarkan data hasil simulasi LAMMPS
yang divisualisasikan menggunakan
program Jmol. Dengan gambaran lengkap simulasi mulai dari (1) pilihan fungsi potensial EAM yang dapat diganti-ganti untuk berbagai bahan, (2) visualisasi gerak atom-atom bahan selama proses pemanasan (dapat dikembangkan dengan menggunakan aplikasi Movie Maker), maka model metode MD ini diharapkan
dapat diterapkan untuk model
pembelajaran konsep fisika perubahan wujud berbagai zat untuk siswa SMA.
Penerapan untuk material selain
Aluminium dilakukan dengan mengganti file potensial EAM yang sesuai untuk logam yang ingin dipelajari. Program
LAMMPS dapat digunakan untuk
mempelajari besaran fisis yang lain selain
temperatur yang merupakan
pengembangan untuk studi lain. Sebagai saran maka untuk mendukung kesimpulan ini dapat dilakukan penelitian dengan menerapkan model pembelajaran di ruang kelas sekolah untuk mengetahui tingkat penyerapan siswa pada mata pelajaran dimaksud. Hal ini karena metode MD ini
untuk media pembelajaran fisika
perubahan wujud siswa SMA menurut sepengetahuan peneliti belum pernah dilakukan, sementara pengamatan proses mikroskopis bahan sebenarnya cukup penting diketahui oleh siswa, dimana hal ini tidak mungkin dilakukan dalam bentuk eksperimen di sekolah. Oleh karena itu
model MD untuk pembelajaran
merupakan Dry Lab.
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terimakasih kepada Lab.Komputasi Jurusan Fisika
Universitas Jember untuk dukungan
fasilitas komputasi yang diperlukan dalam
penelitian ini, dan juga kepada
pengembangan LAMMPS dan Jmol.
DAFTAR PUSTAKA
Arkundato, A. , Suud, Z., and Abdullah, M. (2010) ‘Corrosion study of Fe in a stagnant liquid Pb by molecular dynamics methods’, in AIP Conference Proceeding, New York,Vol. 1244, pp.136 - 144.
Arkundato, A. , Suud, Z., Abdullah, M., Widayani, S., and Massimo, C. (2012)
175
‘Numerical study: Iron
corrosion-esistance in lead-bismuth eutectic coolant by molecular dynamics method’, in AIP
Conference Proceeding, New York,Vol.
1448, pp.155.
Arkundato, A. , Suud, Z., Abdullah, M., Widayani, S. (2012) ‘Computational study: reduction of iron corrosion in lead coolant of fast nuclear reactor’, in AIP
Conference Proceeding, New York,Vol.
1454.
Artoto Arkundato, Zaki Suud,
Mikrajuddin Abdullah, Widayani (2009), Perhitungan Koefisien Difusi Logam Fe Dalam Pb Cair Dengan Metode Dinamika Molekuler: Studi Awal Korosi Dalam Reaktor Cepat, SPEKTRA:Jjurnal Fisika
dan Aplikasinya, Vol. 8, No.2 Desember
2009.
Ackland, G. J., D’Mellow, K., Daraszewicz, S. L., Hepburn, D. J., Uhrin, M.K., and Stratford (2011) ‘The MOLDY short-range molecular dynamics package’,
Computer Physics Communications, Vol.
182, pp.2587-2604.
Belonoshko, A.B. (1998) 'Melting of corundum using conventional and two-phase molecular dynamic simulation
method', Phys Chem Minerals, Vol. 25, pp. 138-141.
Brodholt, J. and Wood, B. (1993) 'Molecular dynamics simulations of the properties of CO2-H2O mixtures at high pressures and temperatures', American
Mineralogist, Vol. 78, pp. 558-564.
Lemmon, E.W. and Jacobsen, R.T. (2004) ‘Viscosity and thermal conductivity equations for nitrogen, oxygen, argon and
air’, International Journal of
Thermophysics, Vol. 25(1), pp.21 - 69.
Embedded atom model.
http://en.wikipedia.org/wiki/Embedded_at om_model di akses 7 Juli 2012
Interatomic Potentials Repository Project, http://www.ctcms.nist.gov/ Di akses 7 Juli 2012
Plimpton,S. (1995) Fast Parallel
Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics, J Comp Phys, 117, 1-
Laboratory for Materials Modeling and Simulations, http://cms.sjtu.edu.cn/.... Diakses 7 Juli 2012.
