i Skripsi Fisika
SINTESIS DAN KARAKTERISASI NANOPARTIKEL PERAK DENGAN METODE PULSED LASER ABLATION IN LIQUID (PLAL)
FITRIAH MUJTAHID H211 13 021
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS HASANUDDIN
MAKASSAR 2017
ii
SINTESIS DAN KARAKTERISASI NANOPARTIKEL PERAK DENGAN METODE PULSED LASER ABLATION IN LIQUID (PLAL)
SKRIPSI
Diajukan Sebagai Salah Satu Syarat Untuk Memperoleh Gelar Sarjana Sains Pada Program Studi Fisika Departemen Fisika
Fakultas Matematikadan Ilmu Pengetahuan Alam Universitas Hasanuddin
FITRIAH MUJTAHID H211 13 021
DEPARTEMEN FISIKA
FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM UNIVERSITAS HASANUDDIN
MAKASSAR 2017
iii
iv
PERNYATAAN
Saya yang bertandatangan di bawah ini : Nama : Fitriah Mujtahid NIM : H211 13 021
Judul Skripsi : Sintesis dan Karakterisasi Nanopartikel Perak dengan Metode Pulsed Laser Ablation In Liquid (PLAL)
Dengan ini saya menyatakan bahwa skripsi ini adalah karya saya sendiri, tidak terdapat karya yang pernah diajukan untuk memperoleh gelar kesarjanaan di suatu Perguruan Tinggi, dan sepanjang pengetahuan saya juga tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan oleh orang lain, kecuali yang secara tertulis diacu dalam naskah ini dan disebutkan dalam daftar pustaka.
Apabila dikemudian hari terbukti bahwa pernyataan saya ini tidak benar, maka skripsi dan gelar yang diperoleh, batal secara hukum.
Makassar, Juli 2017 Penulis
Fitriah Mujtahid
v
ABSTRAK
Telah dilakukan sintesis nanopartikel perak dengan metode Pulsed Laser Ablation in Liquid (PLAL) dengan variasi waktu, panjang gelombang laser, energi, konsentrasi, dan variasi dispersan. Koloid nanopartikel dengan absorbansi optimum diperoleh menggunakan laser pulsa Nd:YAG dengan panjang gelombang 532 nm, energi keluaran 30 mJ, repetition rate 10 Hz, dalam cairan PVP 0.01 wt % sebanyak 10 mL dengan waktu irradiasi selama 40 menit.
Karakterisasi dilakukan menggunakan UV–visible absorption, Particle Size Analyzer and Transmission Electron Microscope. Spektrum absorbsi dari koloid nanopartikel diperoleh puncak absorbsi plasmon pada kisaran 400 nm.
Transmission Electron Microscopy menunjukkan nanopartikel yang diperoleh memiliki bentuk spherical dengan diameter rata-rata yang bervariasi mulai dari 6,4 nm hingga 19,2 nm. Diameter rata-rata dan distribusi ukuran partikel dari Ag- NPs secara signifikan bergantung terhadap parameter yang digunakan.
Kata Kunci: Sintesis Nanopartikel Perak, Laser Ablation in Liquid, Absorbansi.
vi
ABSTRACT
Synthesis of Silver Nanoparticles by Pulsed Laser Ablation in Liquid (PLAL) with variation of time, laser wavelengths, energy, concentration, and variation of dispersants has been investigated. Colloidal nanoparticles with optimum absorbance were obtained by pulsed laser Nd: YAG with 532 nm wavelength, the laser pulse energy of 30 mJ, at a repetition rate 10 Hz, 0.01 wt% PVP as 10 mL with irradiation for 40 min respectively. UV–visible absorption, Particle Size Analyzer and Transmission Electron Microscope were justed for the characterization of Silver Nanopartical (NPs). The absorption spectra of the colloids showed that a plasmon absorption peak was around 400 nm.
Transmission Electron Microscopy demonstrated that the obtained nanoparticles were spherical with average size varying from 6.4 nm to 19.2 nm. The average of diameter and distribution of Ag-NPs particles significantly depends on parameters.
Keywords: Synthesis of Silver Nanoparticles, Laser Ablation in Liquid, Absorbances.
vii
KATA PENGANTAR
Alhamdulillah, Segala puji bagi Allah Subhana Wa Ta‟ala, yang telah memberi nikmat kesehatan dan kesempatan kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar sarjana di Fakultas Matematika dan Ilmu Pengertahuan Alam Universitas Hasanuddin. Salam dan Shalawat atas junjungan Rasulullah Muhammad Sallallahu „Alaihi Wassalam, keluarga, sahabat dan para pengikutnya yang senantiasa istiqomah dalam sunnahnya hingga akhir zaman. Penulis memperoleh banyak bantuan dan dukungan selama proses penyusunan skripsi ini dari berbagai pihak. Oleh karenanya, pada kesempatan ini penulis tak lupa mengucapkan banyak terima kasih kepada:
1. Kedua orang tua penulis (Mujtahid Ahmad dan Saadiah) sebagai sumber semangat penulis yang senantiasa mensupport penulis, memberikan wejangan-wejangan yang sangat bermanfaat. Terima Kasih atas nasihat dan kepercayaan yang kalian beri.
2. Ibu Dr. Yuliati Herbani, M.Sc, selaku pembimbing penulis di LIPI yang telah sabar membimbing penulis dan memberikan banyak masukan dari awal perencanaan penelitian hingga selesainya penulisan skripsi ini. Serta Ibu Kirana, Pak Isnaeni, Ibu Yanti, yang telah memberikan banyak masukan selama penelitian.
viii
3. Bapak Dr. Tasrief Surungan, M.Sc, selaku penasehat akademik sekaligus Ketua Jurusan Fisika FMIPA UNHAS dan Bapak Syamsuddin S.Si, MT selaku Sekertaris Jurusan Fisika FMIPA UNHAS pada periode sebelumnya yang telah memberikan izin kepada penulis untuk melakukan penelitian tugas akhir di LIPI. Serta Bapak Dr. H. Arifin MT selaku Ketua Jurusan Fisika FMIPA UNHAS periode sekarang.
4. Bapak Dr. Paulus Lobo Gareso, M.Sc, selaku pembimbing utama, Prof.
Dr. Dahlang Tahir, S.Si., M.Si, selaku pembimbing pertama, yang telah rela meluangkan waktu untuk membimbing dan memberikan banyak masukan dalam penyelesaian skripsi ini.
5. Bapak Prof. Dr. Syamsir Dewang, M. Eng. Sc., Dr. Bualkar Abdullah, M. Eng. Sc. dan Ibu Dr. Nurlaela Rauf, M.Sc. sebagai tim penguji skripsi fisika yang telah banyak memberikan masukan dan saran-saran demi kesempurnaan skripsi ini.
6. Teman-teman “Angker013” Inna, Saldi, Tiara, Arni, Nelli, Stiva, Astrid, Ijul, Ilham, Kak Wahyudin, Kak Aqra, Kak Zul, Ramlah, Ami, Nunu, Nisa, Wilda, Zeni, Boy, Fiqri, Sudar, Ulla, Olid, Anca, Muge, Ibas, Asni, Astrid, Anti, Ita, Rani dan teman-teman Angker013 yang lainnya yang telah mengajarkan penulis arti dari persaudaraan tanpa sedarah.
7. “Geng Kosong”, Yaeni, Ratih, Ade, Sahara, Lia, Rabiatul, Suhana, Kasmiah, Sultan, Bahrul, Ardi, Maher, Asnur, Iqbal, Masni, Minu, Iqlal, Ica, Reskur, Vina. Thanks atas segala ke LOL-an nya, saran dan masukan yang kadang sangat berguna dan kadang tak masuk akal.
ix
8. Teman-teman “Acceleration01” Vega, Isti, Kiki, Nunu, Naning, Rahma, Liscun, Ince, Tias, Amuba, Acin, Fi’i, Iccang, Rufi, Jalil, Wira, Rahmat, Faqih, yang selalu memberikan semangat dan dorongan dalam penyelesaian studi.
9. “Geng Tali Pusar” Wiwi, Ria, Tari, Syifa, Ijul, Wahyu, Oppa Dew.
Geng KKN yang paling gokil.
10. Kak Indri, Kak Nuruk, Kak Hendrik sebagai sumber informasi, dan selalu mensupport saya.
11.
Teman-teman MIPA 2013 “B’ROS” yang tak sempat disebutkan namanya satu persatu.12. Kakak-kakak dan adik-adik keluarga Himafi FMIPA Unhas dan KM FMIPA Unhas yang tak sempat disebutkan namanya satu persatu.
Penulis tidak dapat membalas kebaikan kalian semua, Doa penulis semoga Allah Subhana Wa Ta‟ala membalasnya dengan banyak kebaikan.
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih memiliki kekurangan. Oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik dan saran dari setiap pembaca.
Akhir kata, semoga skripsi ini dapat bermanfaat bagi setiap pembaca.
Wassalamualaikum Warahmatullahi Wabarakatuh
Makassar, Juli 2017
Penulis
x DAFTAR ISI
HALAMAN PENGESAHAN ... Error! Bookmark not defined.
PERNYATAAN ... iii
ABSTRAK ...v
ABSTRACT ... vi
KATA PENGANTAR ... vii
BAB I PENDAHULUAN ...1
I.1 Latar Belakang ...1
I.2 Ruang Lingkup ...3
I.3 Tujuan ...3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ...4
II.1 Nanopartikel ...4
II.1.1 Efek Fundamental dari Ukuran Nano ...4
II.1.2 Sintesis Nanopartikel ...7
II.1.3 Aplikasi Nanopartikel Perak ...10
II.2 Analisis dan Karakterisasi Nanopartikel ...11
II.2.1 UV-Visible Spectroscopy ...11
II.2.2 Particle Size Analyzer ...14
II.2.3 Transmission Electron Microscope ...16
II.3 Laser Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet ...18
II.4 Pulsed Laser Ablation in Liquid ...22
II.5 Karakteristik Logam Perak ...25
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ...27
III.1 Waktu dan Tempat Penelitian ...27
III.2 Alat dan Bahan ...27
III.3 Metode Penelitian ...27
III.4 Diagram Alir Penelitian ...37
BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN ...38
IV.1 Hasil UV–vis Absorption ...38
IV.2 Hasil Uji Stabilitas ...43
IV.3 Hasil Particle Size Analyzer ...46
xi
IV.4 Hasil Transmission Electron Microscopy ...47
BAB V PENUTUP ...53
V.1 Kesimpulan ...53
V.2 Saran ...53
DAFTAR PUSTAKA ...54
LAMPIRAN ...60
1 BAB I
PENDAHULUAN
I.1 Latar Belakang
Nanoteknologi menjadi perhatian yang menarik beberapa tahun terakhir.
Penelitian mengenai nanoteknologi telah dikembangkan dari berbagai disiplin ilmu termasuk ilmu fisika, kimia, biologi, dan rekayasa. Salah satu bagian nanoteknologi yang merupakan aspek penting adalah nanopartikel [1,2]. Nanopartikel logam perak salahsatunya. Dalam bentuk nanopartikel logam tunggal, Ag memiliki sifat optik, fisik, kimia, elektris, dan magnet propertis yang unik [3,4].
Sifat unik dari nanopartikel perak dapat diaplikasikan dalam bidang kesehatan, elektronika, keelektromagnetan, optik, mekanika, biologi, lingkungan, informasi dan teknologi komunikasi [4-6]. Nanopartikel dapat diperoleh dengan berbagai pendekatan kimia maupun fisika [2,4].
Pendekatan kimia telah dikembangkan untuk mensintesis NP logam Ag dengan berbagai komponen dan struktur [2], contohnya dengan reduksi kimia [7-9]. Meskipun metode cukup populer dengan tingkat kesuksesan yang tinggi, ketidakmurnian, seperti zat aditif dan zat residu hasil reaksi, biasanya tetap berada dalam produk, sehingga aplikasinya terbatas untuk beberapa penerapan seperti aplikasi biologis, katalitik dan optik [1,2]. Adapun metode lainnya yang dapat digunakan untuk mensintesis nanopartikel logam yaitu menggunakan laser ablasi
[1,4,5,10]
.
2 Teknik ablasi laser pada target padat yang berada di dalam medium cair atau biasa dikenal dengan pulsed laser ablation in liquid (PLAL) merupakan salah satu bagian dari pendekatan fisika. PLAL relatif lebih mudah, fleksibel, dan cepat untuk pembentukan nanopartikel tanpa menggunakan zat kimia tambahan. Hasil yang diperoleh lebih bersih tanpa zat-zat beracun atau berbahaya, [8,10,11].
Pada tahun 2011, Dorroudi, M dkk mensintesis nanopartikel perak menggunakan laser pulsa Nd:YAG dengan λ=532 nm di dalam medium gelatin cair tanpa tambahan bahan pereaksi dalam medium air dengan memvariasikan laser repetition rates (tingkat pengulangan laser). Berbeda dengan Tsuji dkk pada tahun 2008 yang mensintesis nanopartikel perak dalam larutan Polyvinylpyrrolidone. Hasil yang diperoleh menunjukkan diameter rata-rata Ag- NPs meningkat seiring dengan peningkatan laser repetition rate. Repetition rate yang menghasilkan ukuran paling kecil diperoleh pada repetition rate 10 Hz.
Sama halnya dengan yang dilakukan Nikolov, A dkk pada tahun 2013, dengan menggunakan laser Nd:YAG dengan repetition rate 10 Hz, Nikolov memvariasikan beberapa parameter seperti waktu penyinaran (5, 10, 15, 20, 25 menit), serta energi (6, 11, 12.5 , 17, dan 26 mJ). Dari berbagai variasi parameter tersebut hasil yang paling bagus diperoleh pada energi 12.5 mJ dan lama penyinaran 25 menit.
Selain parameter di atas, pada tahun 2001 Tsuji, T dkk mensintesis nanopartikel logam dengan mengamati pengaruh panjang gelombang laser, kondisi fokus, dan laser fluence terhadap efisiensi ablasi. Hubungan antara efisiensi ablasi dan panjang gelombang bervariasi dengan laser fluence. Pada ablasi dengan panjang gelombang yang lebih pendek dan laser fluence yang
3 rendah, efisiensi ablasinya lebih tinggi dibandingkan dengan nilai efisiensi pada ablasi dengan panjang gelombang dan laser fluence yang lebih tinggi .
Berbagai parameter yang berbeda digunakan dalam mensintesis nanopartikel perak. Untuk itu penelitian kali ini mengenai pulsa laser ablasi yang digunakan untuk mensintesis nanopartikel perak di dalam medium cair dengan berbagai variasi parameter seperti panjang gelombang, energi, waktu, pelarut dengan berbagai dispersan, serta mengamati stabilitas nanopartikel yang dihasilkan.
I.2 Ruang Lingkup
Adapun batasan pada penelitian kali ini yaitu pengaruh variasi energi (10,20 dan 30 mJ), waktu (10, 20, 30, 40, 50 dan 60 menit), panjang gelombang (355, 532 dan 1064 nm), pelarut Aquades dengan berbagai dispersan (PVP, CTAB, SDS) pada pembuatan nanopartikel perak dengan metode PLAL (Pulse Laser Ablation in-Liquid).
I.3 Tujuan
1. Mensintesis nanopartikel perak dengan metode PLAL
2. Menganalisis pengaruh parameter energi, waktu, panjang gelombang, pelarut dengan berbagai dispersan terhadap ukuran nanopartikel perak yang dihasilkan.
3. Menentukan tingkat stabilitas nanopartikel perak yang dihasilkan.
4 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
II.1 Nanopartikel
Nanoteknologi merupakan bidang yang berkaitan dengan desain, sintesis dan manipulasi struktur partikel [15]. Kemajuan nanoteknologi sebagian besar didorong oleh produksi nanoproduk dan nanopartikel (NPs). Nanopartikel adalah kumpulan atom yang terikat bersama dengan radius antara 1 dan 100 nm. Dimana 1 nm = 10-9 m. Nanopartikel juga merupakan komponen yang paling mendasar dalam pembuatan nanostruktur [16-18].
Perkembangan nanopartikel memainkan peran yang penting dalam beberapa bidang penelitian seperti kimia, fisika, biologi dan bidang ilmu lainnya.
Nanopartikel logam memiliki sifat fisik dan kimia yang berbeda dari logam massalnya (memiliki titik leleh yang rendah, area permukaan dengan spesifikasi yang tinggi, sifat optik khusus, kekuatan mekanik dan magnetisasi tertentu) [2,16].
II.1.1 Efek Fundamental dari Ukuran Nano
Material yang berukuran nano memiliki efek pada sifat bahan. Pada skala nano, bahan yang sama akan menampilkan sifat yang sama sekali berbeda (baik dari segi titik leleh, konduktivitas, dll). Hal ini karena materi pada skala nano tidak lagi mengikuti fisika Newtonian tapi lebih ke mekanika kuantum. Dengan kata lain, sifat dari bahan bergantung pada ukuran [20].
5 A. Kaitan Ilmu Fisika pada Skala Nano
Nanomaterials memiliki ukuran yang mendekati atom tunggal dan molekul dari bahan massal, dan untuk menjelaskan perilaku nano dapat menggunakan mekanika kuantum. Mekanika kuantum adalah model ilmiah yang dikembangkan untuk menggambarkan gerak dan energi dari atom dan elektron. Berikut ringkasan singkat dari efek quantum yang paling penting, dengan sifat fisik lainnya yang relevan pada skala nano [20].
1. Ukuran dan massa Nanomaterials sangat kecil, sehingga gaya gravitasi dapat diabaikan. Walaupun demikian, kekuatan elektromagnetiknya menjadi dominan dalam menentukan perilaku atom dan molekul.
2. Dualitas gelombang-corpuscle dari materi: untuk objek dengan massa yang sangat kecil, seperti elektron, sifat gelombang memiliki efek yang lebih nyata.
Dengan demikian, elektron akan memperlihatkan perilaku gelombang dan posisinya melalui fungsi gelombang (probabilitas).
3. Adanya fenomena tunneling. Fisika klasik menyatakan bahwa tubuh dapat melewati penghalang (pontensial penghalang) hanya ketika memiliki energi yang cukup untuk melewatinya. Dalam fisika kuantum, partikel dengan energi lebih rendah, memiliki probabilitas yang terbatas yang ditemukan di bagian lain hambatan. Jadi, dalam hal sederhana, elektron (atau quantum) tunneling dicapai ketika sebuah partikel (elektron) dengan energi kinetik yang lebih rendah mampu berada pada sisi lain dari penghalang energi dengan energi potensial yang lebih tinggi, sehingga menentang hukum dasar mekanika klasik. Tunnelling adalah efek kuantum fundamental dan dasar dari instrumen
6 yang sangat penting untuk pencitraan permukaan berstruktur nano yang disebut Scanning Tunnelling Microscope (STM).
4. Kurungan Quantum: dalam nanomaterial seperti logam, elektron terkurung dalam ruang, tidak bergerak bebas dalam sebagian besar material.
5. Kuantisasi energi: elektron hanya dapat berada pada tingkat energi diskrit.
Quantum dots adalah nanomaterials yang menampilkan efek kuantisasi energi.
6. Gerak molekul acak: molekul bergerak karena energi kinetiknya (dengan asumsi sampel di atas nol mutlak). Ini disebut gerak molekul acak dan selalu terjadi. Pada skala makro, gerakan ini sangat kecil dibandingkan dengan ukuran objek dan dengan demikian tidak berpengaruh pada pergerakan objek.
Pada skala nano, gerakan ini dapat memiliki skala yang sama dengan ukuran partikel dan dengan demikian memiliki pengaruh penting pada perilaku mereka. Salah satu contoh gerakan kinetik acak adalah gerak Brown.
7. Peningkatan rasio permukaan-ke-volume: salah satu sifat yang membedakan dari Nanomaterials karena memiliki luas permukaan meningkat dengan total volume tetap sama.
B. Kaitan Ilmu Kimia pada Skala Nano
Nanomaterial terbentuk oleh sekelompok atom, atau biasanya sekelompok molekul. Semua jenis ikatan yang penting dalam kimia juga penting dalam nanosains. Umumnya diklasifikasikan sebagai berikut [20]:
1. Ikatan intramolecular (interaksi kimia): ini adalah ikatan yang melibatkan perubahan struktur kimia dari molekul. Seperti ikatan ionik, kovalen dan logam;
7 2. Ikatan intermolecular (interaksi fisik): ini adalah ikatan yang tidak melibatkan perubahan struktur kimia dari molekul. Seperti ion-ion dan interaksi ion-dipol;
interaksi van der Waals; ikatan hidrogen; interaksi hidrofobik; daya repulsif (seperti steric repulsions).
3. Ikatan intermolecular, seperti ikatan hidrogen dan ikatan van der Waals memiliki interaksi yang lemah, tetapi dalam jumlah besar mereka dapat memiliki energi total yang cukup signifikan.
4. Ikatan intermolecular sering menjaga bersama makromolekul (seperti protein) dalam struktur tiga dimensi tertentu dengan fungsi biologis yang terkait.
Gangguan interaksi ini dalam protein ireversibel mempengaruhi struktur 3D- nya (quaternary structure) dan menyebabkan kerugian total dari fungsi (protein denaturation).
5. Salah satu jenis ikatan intermolecular yang sangat signifikan dalam nanosains adalah efek hidrofobik. Ini adalah proses yang pada dasarnya didorong oleh entropi dan yang memiliki peran utama dalam bahan biologis. Dalam istilah sederhana, ini adalah properti dimana molekul non-polar (misalnya minyak) cenderung membentuk agregat molekul seperti di dalam air.
II.1.2 Sintesis Nanopartikel
Ada dua pendekatan utama yang digunakan dalam menisintesis nanopartikel yaitu Pendekatan Bottom-up dan Top-down. Tergantung pada kondisi eksperimental yang digunakan, sifat dan struktur dari nanopartikel yang disintesis dapat dikendalikan [2,4,19].
8 a. Bottom-Up
Banyak nanomaterial disintesis oleh interaksi atom atau beberapa jenis molekul melalui serangkaian teknik reaksi kimia. Prekursor biasanya cairan atau gas yang terionisasi, dipisahkan, disublimasikan atau menguap dan kemudian terkondensasi untuk membentuk nanopartikel amorf atau kristal. Pendekatan ini menghasilkan nanopartikel dengan cacat yang lebih sedikit, komposisi kimia homogen, kontaminasi yang lebih sedikit, dan partikel dengan distribusi ukuran yang sempit [19].
Nanopartikel dengan ukuran yang sangat kecil lebih disukai untuk katalisis karena memiliki rasio permukaan-ke-volume yang besar. Namun, cenderung mudah untuk teragregasi kembali, dikarenakan energi permukaan tinggi yang menghasilkan reduksi kinerja katalitik yang besar. Pendekatan ini efektif untuk menghasilkan NPs dengan ukuran yang diinginkan, sementara itu, untuk mencegah terjadinya agregasi dalam larutan dapat dilakukan dengan menggunakan agen penstabil (seperti ligan atau surfaktan) [2].
Agen penstabil dapat mengikat permukaan NP, mengendalikan nukleasi dan laju pertumbuhan serta status dispersi [2]. Dalam teknik Pulsed Laser Synthesis (PLS), dapat dipertimbangkan tiga metodologi Bottom-up untuk sintesis Nanomaterials yaitu Infrared Pulsed Laser Pyrolysis (IPLP), Infrared Pulsed Laser Induced Breakdown (IR-PLIB) dan Laser-Induced Dissociative Stitching (LIDS) [19].
9 b. Top-Down
Metode fisik biasa disebut dengan pendekatan Top-down [2]. Bahan awal dalam pendekatan top-down adalah bahan massal, yang kemudian dipecah menjadi fragmen yang lebih kecil atau partikel ketika sumber energi diterapkan.
Energi yang diterapkan dapat berupa mekanik, kimia atau termal, atau bisa menjadi bentuk lain dari energi seperti iradiasi laser [2,19].
Teknik iradiasi laser terbagi atas Pulsed Laser Ablation (PLA) dan Pulsed Laser Deposition (PLD). Dalam Pulsed Laser Ablation (PLA) dan Pulsed Laser Deposition (PLD), energi diserap oleh materi dan berubah menjadi kimia dan atau energi panas untuk menghentikan ikatan molekul dari bahan massal. Pendekatan ini biasanya menghasilkan serpihan kecil atau partikel dengan distribusi ukuran yang lebar [2,19].
Baru-baru ini, metode Pulsed Laser Ablation In Liquid Phase (PLAL), telah menarik banyak perhatian. NP diperoleh dengan memfokuskan sinar laser pada target massal yang berada dalam larutan cair. Komponen dari target dapat berupa satu elemen atau senyawa [2,19].
Gambar II.1. Pendekatan Bottom-up dan Top-down dalam mensintesis nanomaterial berbasis karbon [19].
10 II.1.3 Aplikasi Nanopartikel Perak
Nanopartikel perak menarik berbagai perhatian karena sifat elektronik, optik, fisika, kimia dan magnetiknya yang unik [1,3,13,14]
. Ukuran skala nano menyebabkan kurungan elektron dalam nanopartikel logam yang menghasilkan Surface Plasmon Resonance (SPR). Karakteristik plasmon dari nanopartikel ini bervariasi dengan ukuran, bentuk, komposisi dan kristalinitasnya [1,3]. Nanopartikel perak (Ag-NPs) memiliki SPR pada kisaran 400 nm [11].
Nanopartikel perak (Ag-NPs) dapat diaplikasikan dalam berbagai bidang yang luas seperti: kedokteran, katalisis, teknik tekstil, bioteknologi, nanobiotechnology, elektronik, optik, pengolahan air, pencitraan medis, penghantar obat, terapi hipertermia, sirkuit terpadu, biosensor optik, chemosensors, sensor elektrokimia, pelabelan bio, filter, elektroda cell, baterai kertas dengan biaya rendah, katalisis, anti mikroba agen di industri kesehatan, penyimpanan makanan [4,13,15]. Selain itu, nanopartikel perak memiliki efek penghambatan yang signifikan terhadap mikroba patogen, dan secara luas digunakan sebagai agen antimikroba dalam berbagai produk konsumen, termasuk semprotan pembersih udara, kaus kaki, bantal, sandal, respirator, tisu basah, kosmetik, deterjen, sabun, shampoo, filter pasta gigi, udara dan air, pelapis dari lemari es, pembersih vakum, semen tulang, pembalut luka, perban bedah, mesin cuci, kemasan penyimpanan makanan, dan ponsel [15,20].
11 II.2 Analisis dan Karakterisasi Nanopartikel
II.2.1 UV-Visible Spectroscopy
Spektroskopi didefinisikan sebagai cabang ilmu yang berkaitan dengan penyelidikan dan pengukuran spektrum yang dihasilkan ketika materi berinteraksi bersama atau memancarkan radiasi elektromagnetik (EM) [20].
A. Prinsip Dasar UV-Visible Spectroscopy Spektrum Elektromagnetik
Ultraviolet (UV) dan radiasi tampak hanya meliputi sebagian kecil dari spektrum elektromagnetik, termasuk bentuk-bentuk lain radiasi seperti radio, inframerah (IR), kosmik, dan sinar X (lihat Gambar II.2) [21].
Gambar II.2. Spektrum Elektromagnetik [21].
Energi yang berkaitan dengan radiasi elektromagnetik didefinisikan dengan persamaan sebagai berikut [21]:
E = hv (2.1)
Dimana E adalah energi (dalam joule), h adalah konstanta Planck (6.62 × 10-34 Js), dan v adalah frekuensi (dalam detik) [21].
12 Panjang gelombang dan frekuensi
Radiasi elektromagnetik dapat dianggap sebagai kombinasi bergantian dari medan listrik dan magnet yang melintasi ruang dengan gerakan gelombang.
Karena radiasi bertindak sebagai sebuah gelombang, dapat diklasifikasikan dalam bentuk panjang gelombang atau frekuensi, yang terkait dengan persamaan berikut
[21]:
v = c/λ (2.2)
Dalam spektroskopi UV-visible, sinar UV dengan panjang gelombang yang lebih pendek memiliki energi yang lebih tinggi [21].
Transmitansi dan Absorbansi
Ketika sinar radiasi elektromagnetik melewati sampel, intensitas radiasi melemah karena terabsorbsi. Atenuasi radiasi ini digambarkan secara kuantitatif oleh dua hal berbeda, namun terkait: transmitansi dan absorbansi. Seperti ditunjukkan dalam Gambar II.3. Transmisi adalah perbedaan antara radiasi insiden (Io) dan radiasi yang ditransmisikan (I). Transmisi didefinisikan sebagai berikut [21,22]:
T = I/Io atau %T = (I/Io) x 100 (2.3)
13 Gambar II.3 (a) Skema atenuasi radiasi melewati sampel, (b) Skema radiasi yang
ditransmisikan oleh sampel kosong [22].
Gambar II.3 (a) Skema diagram yang menunjukkan atenuasi radiasi melewati sampel; Io adalah radiasi insiden dan I adalah radiasi yang ditransmisikan oleh sampel. (b) Skema diagram yang menunjukkan bagaimana kita mendefinisikan Io sebagai radiasi yang ditransmisikan oleh sampel kosong.
Mendefinisikan ulang Io dengan cara ini mengoreksi transmitansi dalam (a) untuk kerugian radiasi akibat hamburan, refleksi, atau penyerapan oleh wadah dan penyerapan sampel oleh matriks sampel [22].
Absorbansi adalah banyaknya cahaya yang diserap oleh partikel dalam larutan. Absorbansi mengekspresikan atenuasi (pelemahan) radiasi karena merupakan fungsi linear dari konsentrasi analitik. Absorbansi di definisikan sebagai berikut [21,22]:
A = - log T (2.4)
B. Spektrometer Konvensional
Gambar II.4, menunjukkan skematis dari spektrofotometer konvensional single-beam. Cahaya polikromatik dari sumber difokuskan pada celah masuk
14 monokromator, yang secara selektif mentransmisikan berkas cahaya yang sempit.
Cahaya ini kemudian melewati area sampel menuju detektor. Absorbansi sampel ditentukan dengan mengukur intensitas cahaya yang mencapai detektor tanpa sampel (kosong) dan membandingkannya dengan intensitas cahaya yang mencapai detektor setelah melewati sampel. Desain ini sangat cocok untuk mengukur absorbansi pada satu titik dalam spektrum [21].
Gambar II.4. Skematik dari Spektrofotometer Konvensional [21]. II.2.2 Particle Size Analyzer
Instrumen analisis ukuran partikel memiliki kemampuan untuk mengukur dan melaporkan distribusi ukuran partikel dari sampel. Hanya ada beberapa aplikasi dimana nilai tunggal memiliki nilai yang sesuai dan representative.
Ukuran partikel mempengaruhi banyak sifat bahan partikel dan merupakan indikator berharga dari kualitas dan kinerja bahan. Sifat inilah yang memiliki peran penting dalam nanoteknologi, protein, kosmetik, polimer, tanah, abrasive, pupuk, dan banyak lagi [23].
15 Prinsip dari Pengukuran Partikel
Instrumen Particle Size Analyzer (PSA) untuk ukuran kisaran nano (partikel lebih kecil dari 0,1 mikron) menggunakan prinsip Dynamic Light Scattering (DLS). Dynamic Light Scattering (DLS) merupakan teknik yang unik yang menghasilkan nilai rata-rata dari distribusi intensitas (disebut Z rata-rata) dan indeks polidispersitas (PDI) untuk menggambarkan lebar distribusi [23].
Teknik DLS mengasumsikan bahwa partikel sedang mengalami gerak Brown, yang merupakan gerak dari partikel karena mengalami tabrakan acak dengan molekul cairan dimana mereka ditangguhkan [24,25].
Kecepatan partikel bergantung terhadap ukurannya, dimana semakin kecil partikel semakin cepat akan bergerak dan semakin besar partikel semakin lambat akan bergerak. Ketika sinar laser menerangi partikel dibawah pengaruh gerak Brown, partikel akan menghamburkan cahaya ke segala arah. Pergerakan partikel akan menyebabkan fluktuasi intensitas cahaya yang tersebar. Dapat dilihat pada gambar II.5 [24,25].
Gambar II.5. Gerak Brownian [25].
16 Fluktuasi cahaya tersebar dapat dipantau melalui gerak Brown dari partikel. Partikel yang lebih kecil akan memiliki fluktuasi cahaya tersebar yang cepat, sementara partikel yang lebih besar akan memiliki fluktuasi cahaya tersebar lebih lambat. Dengan menggunakan persamaan Stokes Einstein (2.5) yang berkaitan gerakan partikel melalui cairan, ukuran partikel dapat ditentukan [24,25].
G2(τ) = 1 + α (G1(τ))2 G1(τ) = exp[-Dq2τ]
d = kT/3πηD (2.5)
Dimana:
G1(τ), G2(τ) = sekunder dan primer auto-correlation function(ACF) D = koefisien difusi
q = vektor hamburan τ = waktu korelasi
d = diameter hidrodinamik k = konstanta Boltzman T = temperatur absolut η = medium viskositas
II.2.3 Transmission Electron Microscope
Transmission Electron Microscope (TEM) secara luas digunakan untuk mengamati struktur mikro melalui pencitraan, menyatakan fase/ informasi orientasi kristalografi melalui pola difraksi dan menemukan komposisi kimia dengan cara spektrum energi. Seperti mikroskop optik, TEM juga dapat merekam gambar struktur mikro tetapi untuk resolusi yang lebih tinggi. Resolusi TEM
17 secara khusus dapat mengamati daerah nanometer, sehingga TEM sangat baik digunakan untuk karakterisasi Nanomaterials [26].
Seperti yang ditunjukkan pada Gambar II.6, TEM komersial biasanya terdiri dari pistol elektron, satu set lensa elektromagnetik dan lubang lensa, ruang sampel, dan layar. Sinar elektron dihasilkan melalui salah satu bidang emisi (berkas elektron monokromatik) atau emisi termionik (elektron putih) dan kemudian dipercepat melalui tegangan bias untuk mencapai energi tinggi.
Tegangan akselerasi menentukan energi dari berkas elektron dan panjang gelombang elektron. Berkas elektron kemudian pergi melalui medan magnet yang dihasilkan oleh lensa elektromagnetik dan cenderung fokus pada spesimen.
Setelah berkas ditransmisikan melalui spesimen, akan mengalami penambahan set lensa dan lubang lensa untuk memproyeksikan informasi ke layar. Persiapan sampel sangat penting dan spesimen harus cukup tipis agar transparan untuk elektron [26].
Gambar II.6. Skema ilustrasi dari TEM [26].
18 Penggunaan lain yang menarik dari TEM adalah untuk menentukan spektrum energi spesimen. Seperti kita ketahui, beberapa elektron inelastik tersebar oleh spesimen. Interaksi inelastis antara elektron masuk dan atom di dalam spesimen dapat mengungkapkan banyak informasi tentang komposisi kimia, struktur elektronik atom, ikatan, dan bahkan sifat dielektrik bahan.
Spektrum, atau disebut Electron Energy Loss Spectrum (EELS), biasanya terdiri dari tiga bagian yang berbeda: area zero-loss peak, low-loss, dan high-loss [26].
Zero-loss peak terdiri dari elektron yang tidak kehilangan energi sama sekali. Tiap elektron berinteraksi dengan dengan spesimen elastis atau tidak berinteraksi dengan spesimen sama sekali dan dengan demikian tidak akan berisi banyak informasi yang berguna. Oleh karena itu, puncak ini selalu dapat diabaikan. Area low-loss biasanya kehilangan energi elektron hingga 50 eV.
Dalam area energi ini, interaksi biasanya terjadi dengan elektron terluar yang terikat lemah atau inter-/intraband transition. Area high-loss memuat kerugian energi yang lebih besar dari 50 eV yang berasal dari interaksi antara elektron masuk dengan elektron kulit dalam [26].
Puncak energi absobsi di area high-loss adalah karakteristik dari jenis atom dan dengan demikian dapat digunakan untuk analisis kualitatif dan kuantitatif permukaan kimia [26].
II.3 Laser Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet
Laser Neodymium-doped Yttrium Aluminium Garnet (Nd:YAG) merupakan sebuah perangkat yang mengeluarkan cahaya melalui suatu proses yang disebut emisi terangsang. Sinar laser dapat dibedakan dari lampu biasa
19 berdasarkan dua sifat. Cahaya laser monokromatik karena menghasilkan sinar dari satu warna. Setiap gelombang cahaya laser koheren atau identik dalam ukuran fisik dan bentuk. Ini berarti bahwa amplitudo dan frekuensi semua gelombang foton adalah identik. Salah satu tipe laser yang paling sering digunakan pada laser solid-state adalah laser Nd:YAG [27].
Laser Nd: YAG memiliki kombinasi sifat yang unik untuk operasional laser. YAG merupakan bahan padat atau kristal yang memiliki kualitas optik yang baik, dan memiliki konduktivitas termal yang tinggi [28]. Nd: YAG laser memiliki frekuensi emisi yang mendasar sekitar 1 mikron (10641nm) dalam inframerah, tetapi melalui teknik konversi optik memungkinkan untuk mengubah frekuensi untuk harmonik yang lebih tinggi dengan menggandakan, tiga kali lipat dan bahkan empat kali lipat dari output dasar [29].
Komponen Laser Nd:YAG
Pusat laser disebut laser cavity memiliki tiga komponen pembentuk yaitu media aktif, mekanisme pumping, dan resonator optik. Media aktif terdiri dari unsur-unsur kimia, molekul, atau senyawa. Pada komponen laser Nd:YAG media aktif yang digunakan adalah kristal padat yttrium, aluminium, dan garnet (YAG) dalam neodymium (Nd) YAG. Media aktif ini merupakan sumber eksitasi, seperti perangkat flashlamp, rangkaian listrik, kumparan listrik, atau sumber sejenis energi ke dalam media aktif. Ketika mekanisme pumping memompa energi ke dalam media aktif, energi diserap oleh elektron di kulit terluar dari atom medium aktif. Elektron ini menyerap sejumlah energi tertentu untuk mencapai kulit terluar berikutnya yang berada pada tingkat energi yang lebih tinggi. Sebuah “populasi
20 inversi” terjadi ketika lebih banyak elektron dari media aktif yang berada pada kulit terluar dari inti dengan tingkat energi yang lebih tinggi dari ground state [27]. Elektron dalam keadaan tereksitasi kemudian kembali ke keadaan awal (ground state) diikuti degan pelepasan energi secara spontan berupa foton, ini disebut emisi spontan. Laser cavity dilengkapi dengan dua cermin yang ditempatkan sejajar. Cermin ini bertindak sebagai resonator optik, ketika di dalam resonator maka foton-foton tersebut akan saling memantul terhadap dinding resonator sehingga membantu untuk collimate dan memperkuat sinar yang dihasilakan. Sebuah sistem pendingin, fokus lensa, dan mekanisme pengendalian lainnya melengkapi komponen mekanis laser. Gambar II.7 menunjukkan skematis dari medium laser Nd: YAG [27].
Gambar II.7. Skematis dari medium laser Nd: YAG [27].
Sifat Fisik dan Optik Laser Nd:YAG
Beberapa sifat fisik serta parameter optik dan laser yang penting dari Nd:YAG tercantum dalam Tabel 2.1 [28].
21 Tabel 2.1 Sifat Fisik dan Optik dari Nd:YAG [28].
Rumus Kimia Nd:Y3Al5O12
Weight % Nd 0.725
Atomic % Nd 1.0
Nd atoms/cm3 1.38 x 1020
Titik Leleh 1970oC
Knoop hardness 1215
Densitas 4.56 g/cm3
Rupture stress 1.3-2.6 x 106 kg/cm2 Modulus elastisitas 3 x 106 kg/cm2 Koefisien Ekspansi Thermal
[100] orientasi 8.2 x 10-6 oC-1, 0-250oC [110] orientasi 7.7 x 10-6 oC-1, 10-250oC [111] orientasi 7.8 x 10-6 oC-1, 0-250oC
Linewidth 120 GHz
Stimulated emission cross section
R2-Y3 σ = 6.5 x 10-19 cm2
4F3/2-4I11/2 σ = 2.8 x 10-19 cm2
Fluoresence lifetime 230 μs
Energi Photon pada 1.06 μm hv = 1.86 x 10-19 J
Indeks refraksi 1.82 (st 1.0μm)
22 II.4 Pulsed Laser Ablation in Liquid
Teknik ablasi laser pada target padat yang berada di dalam medium cair atau biasa dikenal dengan Pulsed Laser Ablation in Liquid (PLAL) menerima banyak perhatian sebagai teknik baru dalam produksi nanopartikel. Secara umum, nanopartikel dari berbagai jenis bahan seperti logam, logam oksida, semikonduktor, dan bahan organik dapat diperoleh dengan penyinaran sinar laser yang difokuskan pada target yang berada dalam cairan [12,19].
Sinar membentur permukaan dari target padat, menguap, dan membentuk plume ablasi, yang mana memuat atom, ion, molekul, cluster dan partikel. Produk antara reaktif dalam plume bereaksi dengan molekul cairan sekitarnya, memproduksi nanostruktur berisikan atom dari kedua target original dan cairan.
Kurungan dibangun oleh lapisan cair dalam kombinasi dengan suhu tinggi dan tekanan tinggi yang disebabkan oleh sinar berdenyut terfokus memberikan kondisi yang ideal untuk membentuk fase stabil, memperkenankan sintesis dari berbagai nanostruktur [19].
Teknik PLAL relatif lebih mudah, fleksibel, dan cepat untuk pembentukan nanopartikel tanpa menggunakan surfaktan, serta hasil yang diperoleh lebih bersih tanpa zat-zat beracun atau berbahaya, [8,10,11]. Nanomaterials disintesis dengan metode ini biasanya adalah suspensi koloid, atau campuran homogen dari nanopartikel terlarut, dan dapat dikumpulkan dengan filtrasi atau evaporasi [19].
23 Implementasi Eksperimental
Gambar II.8. Sketsa fitur eksperiment PLAL [30].
Beberapa parameter eksperimental dapat diatur untuk mengontrol hasil sintesis sebagai berikut [30]:
1. Bahan Target
Komponen utama untuk pembentukan nanopartikel bergantung pada bahan yang ditargetkan. Namun, komposisi dan fase kristal nanopartikel yang dihasilkan tidak selalu cocok dengan yang ditargetkan. Menggunakan target Chromium misalnya, PLAL dapat menghasilkan campuran Dodecahedral dan tetragonal Cr3O4 tetapi juga Corundum-type Cr2O3. Fenomena serupa ditemukan dalam logam dasar seperti seng, titanium dan besi. Ablasi karbon grafit di dalam air juga menampilkan berbagai macam hasil misalnya, intan, amorf, partikel grafit
[30].
24 2. Parameter Laser
Hasil sintesis dapat dipengaruhi oleh karakteristik laser. Pertama, peningkatan repetition rate meningkatkan hasil yang diperoleh karena semakin banyak shot laser yang diaplikasikan dalam waktu yang sama. Kemudian, ultra- violet (UV) dan laser inframerah (IR) diserap secara berbeda oleh target [30]. Tsuji, menunjukkan hubungan antara efisiensi ablasi dan panjang gelombang bervariasi dengan laser fluence. Pada ablasi dengan panjang gelombang yang lebih pendek dan laser fluence yang rendah, efisiensi ablasinya lebih tinggi dibandingkan dengan nilai efisiensi pada ablasi dengan panjang gelombang dan laser fluence yang lebih tinggi [14]. Jumlah nanopartikel ablasi juga dapat dipengaruhi oleh lama penyinaran serta energi laser yang digunakan. Nikolov, A dkk pada tahun 2013, dengan menggunakan laser Nd:YAG dengan repetition rate 10 Hz, Nikolov memvariasikan beberapa parameter seperti waktu penyinaran (5, 10, 15, 20, 25 menit), serta energi (6, 11, 12.5 , 17, dan 26 mJ). Dari berbagai variasi parameter tersebut hasil yang paling bagus diperoleh pada energi 12.5 mJ dan lama penyinaran 25 menit [13].
3. Komposisi Pelarut
Pelarut yang berbeda dapat digunakan dalam PLAL misalnya, air, etanol, acetonitrile, dimethyl-formamide, toluena. Ablasi emas yang berada dalam toluena adalah contoh yang baik dari pengaruh pelarut karena diperoleh nanopartikel dengan ukuran lebih kecil (<1 nm) melekat dalam matriks grafit.
Nanopartikel besi juga dipengaruhi oleh komposisi pelarut karena tidak termasuk logam mulia. Misalnya di dalam etanol, diperoleh Fe3O4 dan FeC3. Dengan
25 metode yang sama, banyak oksida telah diperoleh saat ablasi target logam murni dalam air [30]. Selain itu, surfaktan dapat ditambahkan ke dalam pelarut untuk menyempurnakan hasil sintesis, seperti PVP [12], SDS [31], CTAB [32].
II.5 Karakteristik Logam Perak
Perak adalah suatu unsur kimia dengan simbol Ag yang berasal dari bahasa latin argentum dengan nomor atom 47. Perak memiliki konduktivitas listrik yang tinggi. Perak bukanlah logam kimia aktif; Namun asam nitrat dan asam sulfat yang panas terkonsentrasi akan bereaksi dengannya. Perak dapat diperoleh dari endapan murni serta bijih perak seperti horn perak dan argentite.
[33,34]
.
Perak tidak teroksidasi di udara; namun bereaksi dengan hidrogen sulfida di dalam air, menyebabkan logam untuk mencemarkan karena pembentukan sulfida perak. Oleh karena itu produk perak membutuhkan pembersihan secara rutin. Perak stabil di dalam air [34]. Beberapa data dan sifat penting dari logam perak dapat dilihat pada tabel berikut [34].
Tabel 2.2 Data Kimia
Nomor CAS 744-22-4
Thermal neutron cross section 63 barns/atom
Potensial elektroda 0.799 V
Jari-jari ionic 0.89 Å
Elektronegativitas 1.93
X-ray absorption edge 0.4858 Å
Elektrokimia ekuivalen 4.025 g/A/h
26 Tabel 2.3 Sifat Fisik
Properties Metric Imperial
Densitas 10.50 g/cm3 0.379 lb/in3
Titik Leleh 962οC 1764 οF
Titik Didih 2212οC 4014 οF
Tabel 2.4 Sifat Mekanik
Properties Metric Imperial
Gaya Tarik 140 MPA 20300 psi
Poisson rasio 0.37 0.37
Modulus elastisitas 76 GPa 11000 ksi
Modulus Shear 27.8 GPa 4030 ksi
Hardness, Vickers 25 25
Tabel 2.5 Sifat Termal
Properties Metric Imperial
Koefisien Ekspansi
Thermal (@20-
100οC/68-212οF)
19.6 μm/mοC 10.9 μin/inοF
Konduktifitas Thermal 419 W/mK 2910 BTU in/hr.ft2. οF
