PENGUKURAN CUPLIKAN ST ANDAR PS-PEP DENGAN SANS. Ikram, N. Suparno, Junaedi, Sunardi, Setiawan, Suyatno

PENGUKURAN CUPLIKAN ST ANDAR PS-PEP DENGAN SANS

A.

Ikram, N. Suparno,

Junaedi,

Sunardi, Setiawan,

Suyatno

ABSTRAK

PENGUKURAN CUPLIKAN STANDAR PS.PEP DENGAN SANS. Meskipun tidak banyak, saat ini terdapat berbagai peralatan SANS yang masing-masing dapat dioperasikan untuk berbagai rentang momentum transfer berbeda. Selain memungkinkan pengukuran berbagai fenomena dengan karakteristik berbeda, hal ini juga menuntut pengkalibrasian peralatan pad a tiap rentang momentum transfer. Telah dilakukan pengukuran cuplikan standar PS-PEP menggunakan peralatan SANS yang belum dikalibrasi di JAERI. Pengukuran ini dilakukan untuk mengkalibrasi data momentum transfer yang diperoleh dengan peralatan SANS tersebut. Pembandingan hasil pengukuran dengan peralatan SANS yang telah dikalibrasi menunjukkan adanya perbedaan yang cukup berarti. Dari penelitian ini dapat disimpulkan bahwa pengkalibrasian peralatan SANS harus dilakukan secara rutin untuk tiap selang momentum transfer sehingga diperoleh hasil yang dapat dipertanggung jawabkan.

ABSTRACT

SANS MEASUREMENTS ON PS.PEP STANDARD SAMPLES. Eventhough there are not many SANS instruments existed today, each of them can be operated for several different q-ranges. Besides their capabilities of exploring phenomena with different characteristic, these several different q-ranges also need several different standard samples to calibrate each q.range. Measurements on PS-PEP standard samples have been conducted to calibrate the SANS-J machine in JAERI. The results showed some discrepancies from the measurements of the same machine with different experimental set-up as well as of the calibrated SANS-U machine. This experiment suggests that calibration of any SANS machine, including the one in Serpong, is important and has to be done routinely for any related q-range so the reliability of the experimental data can be maintained.

PENDAHULUAN

Hamburan neutron sudut kecil (SANS) merupakan teknik altematif untuk mengamati berbagai fenomena pacta bahan dengan ukuran puluhan sampai ribuan angstrom, seperti presipitat misalnya. Kelebihan teknik ini terutama pacta daya tembus neutronnya yang besar pacta hampir semua bahan sehingga penggunaan cuplikan dalam bentuk bulk dapat dilaksanakan. Selain daTi tidak diperlukannya penyiapan cuplikan yang memerlukan keahlian tersendiri, penentuan ukuran presipitat dengan teknik ini dapat memberikan harga rata-rata sebenamya daTi ukuran presipitat di dalam bulk tersebut.

momentum transfer sehingga dapat mengamati berbagai ukuran fenomena. Kalibrasi peralatan dapat dilakukan dengan mengkalibrasi setiap komponen tersebut. Karena hal ini akan banyak mengkonsumsi waktu dan tenaga, maka saat ini pacta berbagai peralatan SANS dilakukan

pengkalibrasian secara menyeluruh dengan memanfaatkan cuplikan standar.

Pacta penelitian ini dilakukan pengamatan pola hamburan neutron dari cuplikan standar PS-PEP yang memberikan beberapa puncak hamburan. Mengingat teknik SANS ini merupakan teknik yang relatif barn di Indonesia, maka pada makalah ini latar belakang teori hamburan neutron sudut kecil disajikan untuk memberikan gambaran secara singkat mengenai proses pengambilan data hamburan tersebut.

Peralatan SANS yang acta di dunia saat ini biasanya terdiri dari berbagai komponen dengan fungsinya masing-masing, antara lain monokromator untuk menyeleksi panjang gelombang yang ingin digunakan, kolimator untuk menjaga tingkat kolimasi (ke-paralel-an) berkas neutron yang sampai pacta cuplikan serta detektor yang berfungsi menentukan posisi

neutron yang dihamburkan. Meskipun tidak banyak

jumlahnya, peralatan yang acta saat ini di dunia masing-masingnya memiliki berbagai cakupan rentang

TEORISANS

Hamburan neutron sudut kecil muncul karena adanya t1uktuasi kerapatan panjang hamburan pada bahan [1]. Fluktuasi tersebut sebagai contoh dapat ditimbulkan oleh munculnya rasa kedua (presipitat

1>~

I!,.f'--:!_'~

St

l

1>5-1>EP

~

SANS

A.

'~. J/l/L.

misalnya) pada matriksnya. Sebagai konsekuensinya

apabila tidak terjadi fluktuasi maka intensitas

hamburan

neutron sudut kecilnya akan tidak bergantung

pada sudut

hamburannya (flat). Tampang lintang SANS dari

presipitat-presipitat yang terdistribusi secara acak

diberikan melalui ekspresi

sebagai

berikut :

melalui bagian linier dari kurva tersebut untuk kemudian digunakan dalam mengevaluasi harga Rg dan G. Untuk

presipitat dengan bentuk bola dan jarum, jari-jari dan panjang presipitat dapat diperoleh melalui persan; m (3)

dan (4). Densitas dari presipitat yang dinyatakan dalam fraksi volume diperoleh melalui konstanta G. Dari persamaan (5) dengan diketahuinya harga-harga V p' N dan t1p maka fraksi volume np dapat dihitung.

~

N

dL

do.

=

(I)

_TATAKERJA

" /

dimana np adalah jumlah presipitat per satuan volume, sedangkan (v;) adalah kuadrat dari volume rata-rata sebuah presipitat, N adalah jumlah atom per satuan volume daD (L\p) adalah perbedaan rata-rata rapat panjang hamburan antara presipitat dan matriksnya, F(Q) adalah faktor bentuk yang menyatakan hamburan dari sebuah presipitat dan tanda ( ) menyatakan harga rata-rata yang melingkupi berbagai ukuran dan orientasi dari presipitat. I(Q) menyatakan hamburan yang disebabkan oleh interface effect di antara presipitat-presipitat

tersebut.

Po/imer PS-PEP

Polimer PS-PEP adalah polystyrene-block-poly(ethylene-alt-propylene) yang didapat dari hidrogenisasi polystyrene-block-polyisoprene dengan derajat hidrogenisasi sebesar 99,4%. Pacta cuplikan ini terdapat 1,33 x 10s molekul dengan rasio Mw/Mn = 1,26 dan rasio styrene terhadap ethylene-alt-propylene adalah 60/40 wtO/o.

Penyiapan Cup/ikan

Polimer PS-PEP yang hendak diukur perlu disiapkan sehingga dapat ditempatkan dalam wadah cuplikan SANS clan memberikan pola hamburan yang optimal. Untuk itu perlu dilakukan pelarutan clan pengeringan sehingga diperoleh bentuk cuplikan yang sesuai. Pertama-tama polimer PS-PEP tersebut dilarutkan dalam tolucn sehingga terbentuk larutan polimer 5 ~/o. Selanjutnya larutan ini dituangkan ke dalam petri dish yang beralas datar. Kemudian untuk pengeringan dengan proses penguapan, petri dish tersebut diletakkan di atas tatakan pada suatu ketinggian dalam sebuah bejana gelas. Bejana gelas tersebut ditutup dengan pelat gelas, sementara di dalarnnya diletakkan pula sebuah botol terbuka yang berisi toluen. Untuk menjaga laju penguapan toluen, diletakkan sekerat foil aluminium sehingga ada rongga antara bibir bejana gelas clan pelat gelas yang menutupinya. Penguapan lambat untuk pengeringan cuplikan ini dilakukan pada suhu ruang selama 1 minggu.

Aproksimasi ini berlaku secara umum untuk QRs < 1.5, dimana Rg dikenal sebagai jari-jari girasi (jari-jari Guinier). Hubungan antara jari-jari girasi dengan jari-jari

presipitat dapat dinyatakan sebagai berikut [3]:

untuk presipitat berbentuk bola dengan jari-jari R, ,

(4)

;=90'

Untuk sistem dengan presipitat-presipitat yang terpisah cukup jauh antara satu dengan lainnya, faktor I(Q) pada persamaan (l) dapat diabaikan. Sehingga dengan subsitusi persamaan (2), persamaan (1) dapat ditulis menjadi :

_=0'

Through View

u

Rg dapat diperoleh melalui kurva logaritmik tampang lintang sebagai fungsi dari Q2, Menggunakan least square fitting, kemiringan kurva dan harga konstantanya (perpotongan kurva dengan absisnya) dapat diperoleh

Edge View

'"

Perrnukaan Film

.r

Gambar1. Geometri konfigurasi Edge dan Through View

78

~,

2fJ

J~ 2000

Faktor bentuk di atas dapat didekati melalui [2]

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

p~

~

~

P5-PEP

~

SANS

A.I~.m.

Polimer kering yang diperoleh pacta dasar petri

dish ditempatkan dalam oven vakum pacta suhu ruang untuk dikeringkan lebih lanjut. Setelah beratnya tidak berubah, film polimer yang terbentuk dilepaskan dari dasar petri dish dengan hati-hati. Oari cuplikan as-cast ini dibentuk dua jenis cuplikan. Cuplikan edge-view

diperoleh dengan membuat potongan-potongan

sebesar

I mm x 20mm dan meletakkannya pacta sebuah kerangka plastik. Sementara itu cuplikan through-view dibuat dari sebuah potongan dengan ukuran 20mm x 20mm. Gambar I menunjukkan skema pola hamburan sudut kecil yang akan diperoleh dari ke dua jenis cuplikan yang telah disiapkan tersebut.

dari detektor dua dimensi. Tampak bahwa pola yang diperoleh sudah menunjukkan ketepatan bentuk seperti yang diharapkan, dimana cuplikan edge-view memberikan pola hamburan neutron yan~ an-isotropik dengan keteraturan pada bidang horizontal. Sementara itu pola hamburan cuplikan through-view menampilkan pola yang isotropik dengan cincin-cincin yang cukup tajam.

Pengukuran dengan SANS

Pengukuran dengan SANS ini dilakukan di JAERI, Jepang menggunakan peralatan SANS-J dalarn

rangka Workshop SANS di JAERI dengan

memanfaatkan kerja sarna BAT AN-JAERI dalarn bidang harnburan neutron. Gambar skematik dari peralatan SANS-J diberikan pada garnbar 2. Peralatan SANS ini menggunakan sumber neutron dingin. Berkas neutron dimonokromatisasi menggunakan selektor kecepatan mekanik. Jarak antara cuplikan dan detektor (L) dipilih pada posisi 6 m. Dengan mengkombinasi harga L dan panjang gelombang neutron, A = 0,7 nm diperoleh selang transfer momentum AQ = 0,04 -0,4 nm-l dimana Q didetinisikan sebagai : Q = {47t sin (8/2)}/ A (8 = sudut hamburan ; A = panjang gelombang neutron). Dengan pengarnbilan panjang gelombang yang besar ini, efek dari harnburan Bragg ganda dapat dihindari. Pemilihan harga AQ tersebut memungkinkan untuk diamatinya ukuran keteraturan berukuran mulai dari 15 nm sarnpai 150 om. Berkas neutron yang terhambur dideteksi dengan position sensitive detector (PSD) dua-dimensi, yang berisi gas 3He, dengan jumlah elemen 128 x 128. Uraian lengkap mengenai SANS-J ini telah disajikan dalam makalah lain [4].

f I ; ~

SANS-J

V2,261199

!

0.087 rnm ., I

f'.

'"iii'

-'2

~

e

~

.-g;

SAMPLE 10M COLD ~ ~ NEUTRON L-I.5-IOM

COLLIMATORS VELOCITY SELECTOR

NEUTRON GUmES ~-85-30'10 T-75'1, lOdes 2-dimPSD ).=0.7nm 58 cm diameter 004 $ Q $ 040 (1/nm) 52mmx52mmresolution (175$ 2" IQ$ 157nm) 020, beam stopper

\

.I

~

I~j

q [nm

Gambar 3. Pol a hamburan dari cuplikan Edge-View

Gambar pada bagian bawah menampilkan data satu dimensi (kurva 1 vs Q) yang diperoleh dari data dua dimensi di atasnya. Dari gambar 3 diperoleh indikasi adanya 4 puncak pada selang momentum transfer ~Q = 0,04 -0,4 nm-1 dan tiga puncak pertama berada pada posisi 0,087 nm-1 , 0,169 nm-1 dan 0,256 nm-l. Secara rata-rata posisi ketiga puncak ini memberikan harga posisi puncak pada (8,53 :i: 0,06) x 10-2 nm-1 yang berkorelasi denganjarak keteraturan sebesar 73,6 nm. Gambar 2. Diagram skematik peralatan SANS-J, JAERI

HASIL DAN PEMBAHASAN

Hasil pengukuran dengan teknik harnburan neutron sudut kecil (SANS) ditunjukkan pada Garnbar 3 clan 4 untuk kedua cuplikan standar PS-PEP, berturut-turut untuk edge-view clan throughview. Pada bagian ata~ ke dua gambar itu disajikan data mentah yang diperoleh

79

p~

~

~

P5-PEP

~

SANS

A.I~I~'

ini ditarnpilkan pada bagian bawah gambar 5 dan menjadi acuan dalam mengkalibrasi peralatan SANS lainnya, termasuk SANS-J di JAERI dan SANS-BA TAN di Serpong. Pada bagian atas Garnbar 5 disajikan basil pengukuran yang telah dilakukan dengan peralatan SANS-J dengan panjang gelombang dan posisi detektor berbeda (I.. = 0,524 nm dan L = 10 m) untuk cuplikan standar PS-PEP yang sarna. Pengukuran dengan peralatan SANS-J ini memberikan basil yang berbeda pula yaitu posisi puncak pada 0,0824 nm-1 untuk cuplikan edge-view dan 0,0732 nm-1 untuk cuplikan through-view [5]. Ketika pengukuran ini dilakukan, peralatan SANS-J belum dikalibrasi sehingga hasilnya tidak menggambarkan keadaan yang sebenamya. Tabel I menampilkan. basil-basil pengukuran tersebut berikut prosentase kesenjangannya. 105

E

E. 00

>-C" -04 00 qx [nm o~ 10

10.

II)

...

'c ::) .c I-<V cr

~

'c :J

-e

~

:§:

103 10' 10' 0.00 0.05 0.10 0.15

q (nm'1

0.20 0.25 0.30 co 0 , 02 O.J :14 -1 q [nm ]

Gambar 4. Pols hamburan dari cuplikan Through-View

Sementara itu dari gambar pada bagian bawah Gambar 4 diperoleh indikasi adanya 4 puncak dan dua diantaranya sangat kuat intensitasnya. Kedua puncak ini berada pada posisi 0,076 nm-l (puncak pertama) dan 0,227 nm-l (puncak ketiga). Puncak kedua dan keempat, sebagaimana puncak keempat pada gambar 3, tidak dapat digunakan mengingat lebar dan landainya puncak-puncak tersebut sehingga ketidak-pastian terhadap posisi puncak terse but sangat besar. Dari posisi puncak pertama dan ketiga tersebut diperoleh harga rata-rata posisi puncak pada cuplikan through-view ini sebesar (7,575 :i: 0,011) 10-2 nm-l yang berkorelasi dengan jarak keteraturan sebesar 82,9 nm.

Hasil ini cukup berbeda dibandingkan dengan basil standar yang diperoleh dari pengukuran dengan peralatan SANS-U yang telah dikalibrasi untuk pengukuran dengan L = 4 m dan A = 0,7 nm. Untuk cuplikan edge-view didapat posisi puncak pada 0,0762 nm-1 dan 0,071 nm-1 untuk cuplikan through-view. Hasil

Gambar 5. Hasil pengukuran cuplikan PS-PEP dengan SANS-J yang tidak terkalibrasi (atas) dan

SANS-U yang terkalibrasi (bawah)

~I

2g J~ 2000

p~

L',~~£~

~

P5.Pep

~

SANS'

A..r~,J./IJI..

dengan peralatan dan cuplikan. yang sarna dengan set-up berbeda [5] juga rnernberikan hasil yang berbeda. Hal ini rnernberikan konfirmasi positif bahwa peralatan SANS, termasuk SANS-BA TAN, rnernerlukan kalibrasi yang teratur dan tertentu untuk setiap set-up maupun rentang momentum transfer yang berbeda. Dari lamanya waktu

pengukuran kedua cuplikan standar ini dapat pula disimpulkan bahwa keteraturan yang ada pada cuplikan edge-view disamping memberikan pola hamburan pada bidang horizontal juga menghasilkan intensitas yang jauh Icbih kuat.

Kurva.kurva pada bagian bawah gambar 3 daD 4 juga menunjukkan bahwa untuk mendapatkan intensitas yang sebanding, cuplikan through-view memerlukan waktu pengumpulan data sampai 60 menit sementara cuplikan edge~view hanya 5 menit (kurang dari 10% nya). Hal ini menunjukkan bahwa keteraturan yang ada pada cuplikan edge-view telah berkontribusi pada kuatnya hamburan neutron sehingga memberikan intensitas hamburan 10 kali lebih kuat.

rebel 1. Posisi puncak hamburan neutron dari cuplikan

stander PS.PEP den prosentase kesenjangannya

_{UCAP AN TERIMA KASIH}

SANS-U

(terkalibrasi)

SANS

Penulis menyampaikan rasa terima kasih kepada Program Kerjasama Bilateral BA T AN-JAERI yang memungkinkan untuk pengambilan data SANS di JAERI dan kepada AD Puspitasari dan Yatno yang telah membantu pengetikan makalah ini.

Cuplikan

L=6m.

A~O,7 nm L= 10m, I -0,524 n~ [5)! L-4m, i. = 0,7 nm Edge- view 0,0853 nm" (1.2%) 0,07575 nm (6,7%) 0,0824 nm" (8,1%) 0,0732 nm (3,1%) 0,0762 nm

Through- view 0,0710 nm

_{DAFTARPUSTAKA}

[1]. L.A. FEIGIN, et.al, Structure Analysis by SAXS

and

SANS,

Plenum Press,

London (1987)

[2]. A.C.R. GUINIER, A cad. Sci., Paris (1937), 204,

1115

[3]. P. PIZZI, et.al, J. Appl. Cryst., (1974), 7, 270

[4]. J.I. SUZUKI, JAERI NSL Report, (1992)

[5]. Y. HASEGAWA, komunikasi

pribadi.

KESIMPULAN

Hasil pengukuran cuplikan standar PS-PEP dengan peralatan SANS-] yang belum dikalibrasi menunjukkan perbedaan yang cukup berarti. Pengukuran

81

~,

2~ J~ 2000