BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Nanorod merupakan bagian dari material nano (Sajanlal et al, 2010). Material nano dapat juga dikatakan partikel nano karena ukurannya yang kecil. Awalnya sebutan partikel nano digunakan untuk partikel yang berukuran sampai beberapa ratus nanometer, tetapi dalam perkembangan terakhir dalam teknologi nano, partikel nano adalah struktur ukuran mulai dari 1 sampai 100 nm dan setidaknya satu dimensi (Wilczewska et al, 2012).
Secara geometris, material nano dapat dikelompokkan dalam material berdimensi rendah (dibawah 3 dimensi). Karena ukuran yang sangat kecil maka secara umum karakteristik dari material nano adalah: kecil, ringan, properti unggul, dan cerdas. Material nano lebih bergantung pada luas permukaan dari komposisi partikel itu sendiri, daerah relatif permukaan adalah salah satu faktor utama yang meningkatkan reaktivitas, kekuatan, sifat listrik dan sifat mekanik seperti kekerasan, elastisitas dan daktilitas tergantung pada ikatan antara atom.
Material nano telah menjadi bidang pusat kegiatan ilmiah dan teknis. Selama tahun terakhir ini minat struktur nano pada aplikasi di berbagai perangkat elektronik, optoelektronik, bio-sensor, photodetectors, sel surya, nanodevices, plasmonic telah meningkat pesat (Yalcin, 2012).
Hal ini disebabkan oleh sifat unik struktur nano dan kinerja luar biasa dari perangkat nano, permukaan struktur nano mulai menunjukkan sifat baru dan menarik terutama karena efek ukuran kuantum (Yalcin, 2012).
Penelitian terhadap material nano terus berkembang mengingat sifat khusus penerapannya seperti : pada sistem generator listrik, sistem penggerak listrik/motor listrik, otomatisasi industri, perangkat penyimpanan data, peralatan gelombang mikro, transformator, speaker dan sebagainya. Penggunaan magnet permanen sangat ditentukan oleh sifat dan kualitas material magnet (Widyan and Hanitsch, 2012). Pada aplikasi sistem otomatisasi elektronik, otomatisasi industri dan sejenisnya memerlukan sejumlah magnet yang tidak sedikit dan spesifikasi sifat magnet yang berbeda untuk setiap komponennya (Sardjono dkk, 2012b). Menurut The Freedonia Group, Inc (2015) permintaan global untuk magnet permanen dunia diperkirakan akan naik 7,3 persen per tahun, pada tahun 2019 mencapai $ 16 billion seperti pada Tabel 1.1.
Tabel 1.1 Kebutuhan Magnet Dunia
2015 – 2019 yakni akan dibangunnya pusat keunggulan nasional untuk magnet permanen.
Magnet permanen yang paling banyak digunakan adalah magnet berbasis ferit baik logam maupun keramik. Salah satu magnet permanen keramik berbasis ferit yang paling sering digunakan dan masih menjanjikan adalah barium heksaferit (BaFe12O19) atau BaO.6(Fe2O3) karena mempunyai sifat : unggul, biaya produksi rendah, temperatur Curie tinggi, berkoersivitas tinggi, stabilitas kimia dan ketahanan korosi (Kaynar et al, 2015).
Barium heksaferit juga merupakan magnet oksida karena di dalamnya terdapat oksigen, morfologi nya cenderung berbentuk hexagonal. Magnet berbasis oksida memiliki semua sifat-sifat umum dikaitkan dengan magnet berbasis logam (atau berbasis atom), seperti remanensi, saturasi dan remanen magnetisasi dan koersivitasnya (Miller, 2014). Menurut Kanagesana et al (2011) koersivitas barium ferit tergantung dari banyak faktor seperti komposisi kimia, ukuran partikel, derajat kristalinitas, mikro, anisotropi magnetik, dan lain-lain.
Beberapa hasil penelitian yang relevan sebelumnya morfologi barium heksaferit yang diperoleh, umumnya berbentuk heksagonal (Mahgoob and Hudeish, 2012; Li et al, 2012; Tan and Chen, 2013; Zhao et al, 2013; Ahmed et al, 2013) dan bentuk bulat (Chen et. al, 2012; Khorrami et al, 2013; An et al, 2014b; Mosleh et al, 2014; Xu et al, 2015). Berdasarkan morfologi barium ferit, medan magnet pada morfologi berbentuk batang (nanorod) akan lebih besar dari pada morfologi berbentuk bulat (Mohapatra et al, 2015).
kristal nano BaFe12O19 (Kaynar etal, 2015) dengan menggunakan metode sol-gel kita mudah menambahkan dispersant dan templat, salah satu jenis dispersant adalah Kitosan.
Kitosan adalah polisakarida hewani diperoleh dari deasetilasi kitin (Elsabee and Abdou, 2013). Kitosan bertindak sebagai dispersant struktural karena mengandung amino dan hidroksil gugus fungsional yang mampu mengikat ion logam. Kitosan dapat digunakan sebagai dispersant (Zhang et al, 2010). Kitosan baik untuk partikel nano besi oksida (Tsai et al, 2010). Templat yang digunakan pada penelitian yang relevan sebelumnya adalah templat sintesis antara lain : (Ethylene Glycol (EG), Propylene Glycol (PG), Electrospun Polyethylene Terephthalate)/ Citric Acid (EPT/CA) microfibers dan α-FeOOH, pada penelitian ini templat yang digunakan merupakan templat organik alam yaitu pati.
Pati merupakan glucan yang dapat larut terdiri dari dua polimer glukosa, amilopektin dan amilosa (Corre et al, 2010). Menurut Elgadir et al (2012) pati berasal dari berbagai sumber botani berbeda dalam komposisi, struktur dan urutan molekul konstituen polisakarida (amilosa dan amilopektin). Amilopektin memiliki struktur bercabang sementara amilosa memiliki struktur linear. Kandungan amilosa dalam pati ini diharapkan dapat bertindak sebagai templat nanorod. Salah satu pati yang mudah diperoleh dan harganya relatif murah adalah pati tapioka, penggunaan pati tapioka sekaligus menggunakan kearifan lokal.
berukuran diameter = 200 nm dan (200 – 500) nm, mempunyai sifat magnet remanensi magnetisasi (Mr) = (23,2 dan 19,6) emu/g , koersivitas = (0,14 dan 0,12) T, Xu et al (β014) menggunakan templat α-FeOOH menghasilkan partikel barium heksaferit bermorfologi nanorod berukuran panjang 250 nm mempunyai sifat magnet Ms =62,5 emu/g; Hc= 0,38 Tesla.
Secara umum sifat magnetik BaFe12O19 hasil penelitian sebelumnya adalah sebagai berikut : momen saturasi nilai terendah 40 emu/g nilai tertinggi 70,2 emu/g, momen remanensi nilai terendah 23 emu/g nilai tertinggi 35,9 emu/g, koersivitas nilai terendah 0,16 Tesla dan nilai tertinggi 0,65 Tesla.
Penelitian terhadap barium heksaferit ini juga dilakukan dengan penambahan atom Neodymium (Nd) sebagai atom doping sehingga objek penelitian menjadi Ba(Nd)xFe12O19. Atom Nd merupakan salah satu logam murni golongan Lantanida yang disebut juga logam tanah jarang. Atom Nd memiliki 4 buah elektron berspin tunggal, secara teori sifat magnet suatu atom ditimbulkan oleh gerak orbit dan spin elektronnya yang tidak berpasangan. Semakin banyak jumlah spin elektron yang tidak berpasangan semakin mudah dimagnetisasi untuk menjadi magnet. Dengan demikian atom Nd banyak digunakan untuk pembuatan magnet permanen seperti magnet NdFeB. Pada penelitian ini atom Nd diperolaeh dari garam Neodymium (III) Chloride Hexahydrate (NdCl3.6H2O). Penggunaan Neodymium telah meningkat secara signifikan dalam tiga dekade terakhir setelah penemuan paduan neodymium-boron-besi merupakan magnet permanen yang sangat kuat. (Bizimis M. and Scher H.D., 2016). Walaupun jumlahnya terbatas, neodymium memainkan peran utama dalam magnet permanen berkekuatan tinggi sebagai dasar dari paduan Nd2Fe14B. Magnet permanen menunjukkan performa yang luar biasa dalam industri elektronik dalam aplikasi seperti motor listrik, hard drive komputer, dan generator listrik, serta menjadi perhatian pada aspek pembuatan turbin angin dan peningkatan efisiensi (Zhang, Y., 2013)
membutuhkan sumber daya komputasi yang sangat besar seperti komputer paralel dan sistem komputer multi prosesor ditambah dukungan teoritik yang kuat. Salah satu cara penggunaan komputasi material adalah menghitung nilai kerapatan elektron atom pembentuk molekul dan menghitung energinya untuk mengetahui sifat fisis molekul suatu material.
Salah satu perangkat lunak desain molekul metrial adalah Quantum Espresso yakni untuk membuat model suatu material dengan ukuran bulk menerapkan Density Functional Theory (DFT) untuk menghitung kerapatan elektron pada molekul suatu matrial yang akhirnya dapat diketahui sifat fisisnya untuk merancang bangun suatu material.
Berdasarkan latar belakang diatas perlu dilakukan penelitian sebagai alternatif dalam pembuatan bahan magnet permanen yang telah banyak digunakan yakni Barium heksaferit bermorfologi nanorod (guna meningkatkan sifat magnet) yang low cost dengan menerapkan metode sol-gel menggunakan templat dari pati tapioka (kearifan lokal) dan membuat simulasi struktur molekulnya guna mendukung strategi kebijakan Kemenristekdikti periode 2015 – 2019 yakni akan dibangunnya pusat keunggulan nasional untuk magnet permanen. Sehubungan dengan hal di atas maka penelitian disertasi ini berjudul : ―Sintesis Nanorod
Ba(Nd)xFe12O19 Menggunakan Templat Dari Pati Tapioka”. Pada penelitian ini dilakukan sintesis barium heksaferit yang didoping atom Nd dengan variasi (0; 0; 5; 1 dan 1,5) % menerapkan metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai dispersant dan pati tapioka sebagai templat yang dilengkapi dengan simulasi struktur molekul Ba(Nd)xFe12O19 serta menghitung nilai magnetiknya menggunakan komputasi material. Hasil penelitian ini diharapkan diperoleh serbuk Ba(Nd)xFe12O19 bermorfologi nanorod untuk meningkatkan sifat magnet serta model simulasi struktur molekulnya.
1.2 Rumusan Masalah
Berdasarkan uraian latar belakang di atas, maka dapat dibuat beberapa rumusan masalah yaitu :
1. Bagaimana proses yang dilakukan dalam sintesis Ba(Nd)xFe12O19, x = (0; 0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai dispersant dan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v) sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v.
2. Bagaimana pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v) sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19, x = (0; 0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai dispersant terhadap struktur kristal yang terbentuk.
3. Bagaimana pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v) sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19, x = (0; 0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai dispersant terhadap morfologi yang terbentuk.
4. Bagaimana pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v) sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v.pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19 x = (0; 0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel dengan menggunakan kitosan sebagai dispersant terhadap sifat magnet.
5. Bagaimana proses yang dilakukan dalam pembuatan simulasi struktur molekul Ba2NdxFe24O38.
1.3 Batasan Masalah
Pembahasan masalah yang dilakukan pada penelitian ini memiliki batasan-batasan sebagai berikut :
1. Metode yang digunakan pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19 adalah metode Sol-gel. 2. Dispersant yang digunakan adalah kitosan 1 % w/v
5. Alat ukur karakterisasi digunakan adalah : X-Ray Diffractometer (XRD), Scanner Electron Microscope (SEM), Energy Dispersive X-Ray Spectroscopy (EDS) dan Vibration Sample Magnetometer (VSM).
6. Ba(Nd)xFe12O19 yang terbentuk hanya berbentuk serbuk.
7. Model dan simulasi hanya menggambarkan struktur Ba2Fe24O38; Ba2NdFe24O38; Ba2Nd2Fe24O38 ; Ba2Nd3Fe24O38 ; Ba2Nd4Fe24O38; dan sifat magnet Ba2NdFe24O38
8. Perangkat lunak pembuatan model dan simulasi Ba(Nd)xFe12O19 adalah Quantum Espresso berbasis Density Functional Theory (DFT).
1.4 Tujuan Penelitian
Tujuan penelitian ini berdasarkan rumusan masalah yang dibuat adalah sebagai berikut :
1. Mengetahui proses yang dilakukan pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19, x = (0; 0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai dispersant dan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v) sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v.
2. Menginvestigasi pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v) sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19 , x = (0; 0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai dispersant terhadap struktur kristal yang terbentuk.
3. Menginvestigasi pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v) sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19 , x = (0; 0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai dispersant terhadap morfologi yang terbentuk.
4. Menginvestigasi pengaruh penggunaan templat dari pati tapioka 0,5% (w/v) sebanyak (5 % ; 10 % dan 15 %) v/v pada sintesis Ba(Nd)xFe12O19 , x = (0; 0,5; 1 dan 1,5) % mol berbasis metode sol-gel menggunakan kitosan sebagai dispersant terhadap sifat magnet.
6. Penelitian ini juga bertujuan sebagai alternatif dalam pembuatan magnet permanen yang hemat energi dan hemat biaya.
1.5 Manfaat Penelitian
Hasil penelitian ini bermanfaat sebagai alternatif dalam proses pembuatan magnet permanen di indusri magnet guna mendukung kebijakan pemerintah tentang energi yang menjadi target nasioanal tercantum pada Rencana Induk Riset Nasioanal yang tertuang pada strategi kebijakan Kemenristekdikti menekankan pada proses pengembangan produk dan pengolahan logam tanah jarangsertaakan dibangun pusat keunggulan nasional untuk magnet permanen karena menghasilkan magnet yang handal, prosesnya mudah, hemat energi dan menggunakan templat organik alam (bahan lokal), meningkatkan nilai tambah dari kearifan lokal dan dapat menekan biaya produksi.
1.6 Asumsi : Temperatur dan kelembaban ruangan Laboratorium di anggap kostan.
1.7 Espektasi.
Pada penelitian ini dapat dibuat espektasinya sebagai berikut :
1. Dapat dibuat magnet permanen Ba(Nd)xFe12O19 bermorfolgi nanorod yang dapat meningkatkan nilai magnetisasinya dengan proses berbiaya rendah. 2. Dapat dibuat simulasi struktur molekul Ba2Fe24O38 dan Ba2NdFe24O38
