REVIEW E-BOOK
NANOTECHNOLOGIES : PRINCIPLES, APPLICATIONS, IMPLICATIONS AND HANDS-ON ACTIVITIES
DISUSUN OLEH : MELA YULIYANTI
K3316039 KELAS A
MATA KULIAH KIMIA UNSUR
PROGRAM STUDI PENDIDIKAN KIMIA FAKULTAS KEGURUAN DAN ILMU PENDIDIKAN
UNIVERSITAS SEBELAS MARET SURAKARTA
2018
Peta Konsep Karakterisasi Nanomaterial
Karakterisasi
Mikroskopi
TEM SEM STM AFM
Spektroskopi
XRD IR
KARAKTERISASI NANOMATERIAL
Menurut Morns (2007), Nanoteknologi didefinisikan sebagai suatu design, karakterisasi, produksi, dan penerapan dari struktur, peralatan dan sistem melalui pengendalian bentuk dan ukuran material pada skala nanometer (10-9 m atau 1 nm).
Sedangkan nanomaterial yaitu material yang berukuran sangat kecil atau bahan yang akan dibuat berskala nano (10-9m atau 0,000000001 m). Dalam nanomaterial ada seni untuk merekayasa atom /frame work menjadi skala atomik atau molekuler.
Nanomaterial dapat dibuat dengan teknik top down dan bottom up. Teknik top down merupakan pembuatan struktur yang kecil dari material yang berukuran besar, sedangkan teknik bottom up penggabungan atom-atom atau molekul-molekul menjadi partikel yang berukuran lebih besar.
Pada tahun 1981, dua peneliti IBM yaitu Gerg K Binning menciptakan Scanning Tunneling Microscope (STM) yang memungkinkan pengamatan topografi permukaan dengan format atom dengan atom, sementara Heinrich Rohrer menciptakan mikroskop kekuatan atom. Kemudian pada tahun 1986, mereka memenangkan hadiah Nobel Fisika atas penemuannya terhadap perkembangan teknologi nano (Miyazaki,et.al, 2007). Scanning Tunneling Microscopy (STM) adalah salah satu teknik analisis permukaan yang telah menyebabkan sebuah revolusi dalam pencitraan pada resolusi atom. STM memiliki kemampuan untuk menggambar dan memanipulasi individual atom dalam lingkungan non-vakum pada suhu kamar.
Secara umum terdapat 2 metode karakterisasi yaitu 1. Mikroskopi
Kata mikroskop (microscope) berasal dari bahasa Yunani, yaitu kata micron berarti kecil dan scopos berarti tujuan. Mikroskop adalah alat yang digunakan untuk melihat obyek yang terlalu kecil untuk dilihat oleh mata telanjang.
Mikroskop optik menggunakan cahaya tampak (radiasi elektromagnetik) dan sistem lensa untuk memperbesar gambar sampel kecil. Mikroskop optik adalah yang tertua dan paling sederhana dari mikroskop. Panjang gelombang cahaya
pada mikroskop optik hanya sampai 200 nanometer (2.10-7 m).Objek tunggal yang lebih kecil dari batas ini tidak dapat dibedakan: hanya terlihat sebagai 'objek kabur'. Hal ini dikenal sebagai 'batas difraksi' dari cahaya tampak. Dengan adanya keterbatasan ini, maka diciptakan suatu mikroskop menggunakan elektron yang dikenal dengan mikroskop elektron (Luisa Filipponi , 2012).
Mikroskop elektron mempunyai kemampuan pembesaran objek (resolusi) yang lebih tinggi dibandingkan mikroskop optik. Mikroskop elektron mempunyai perbesaran yang jauh lebih tinggi hingga dua juta kali, sedangkan yang terbaik mikroskop cahaya terbatas kepada perbesaran dari 2000 kali (Luisa Filipponi , 2012). Perbedaan mikroskop optik dengan mikroskop elektron adalah pada fungsi pembesaran objeknya. Mikroskop optik menggunakan lensa dari jenis gelas, sedangkan mikroskop elektron menggunakan jenis magnet. Sifat medan magnet digunakan untuk mengendalikan elektron yang melaluinya. Karakter khusus lain dari mikroskop optik adalah pengamatan objek harus dalam keadaan kedap udara. Hal tersebut bertujuan agar sinar elektron terhambat oleh molekul- molekul di udara.
Beberapa jenis mikroskop elektron yaitu 1.1. Scanning Electron Micrsocopy (SEM)
Scanning Electron Microscopy (SEM) adalah salah satu jenis mikroskop elektron yang menggunakan berkas elektron untuk menggambar profil permukaan benda. SEM digunakan untuk mengamati detil permukaan sel atau struktur mikroskopik lainnya, dan dan mampu menampilkan pengamatan obyek secara tiga dimensi. Elektron berinteraksi dengan atom yang menyusun sampel yang menghasilkan sinyal yangberisi informasi tentang topografi permukaan sampel, komposisi dan sifat – sifat lainnya seperti konduktivitas listrik (Setiabudi, A, 2012).
SEM memiliki resolusi yang lebih tinggi daripada mikroskop optik.
Hal ini disebabkan oleh panjang gelombang de Broglie yang dimiliki elektron lebih pendek daripada gelombang optik. Makin kecil panjang
gelombang yang digunakan maka makin tinggi resolusi mikroskop. Syarat agar SEM dapat menghasilkan citra yang tajam adalah permukaan benda harus bersifat sebagai pemantul elektron atau dapat melepaskan elektron sekunder ketika ditembak dengan berkas elektron. Material yang memiliki sifat demikian adalah logam. Jika permukaan logam diamati di bawah SEM maka profil permukaan akan tampak dengan jelas (Mikrajuddin A,2009).
SEM tidak memerlukan sampel yang ditipiskan, sehingga bisa digunakan untuk melihat obyek dari sudut pandang 3 dimensi. Menurut Mikrajuddin A (2009), terdapat beberapa teknik lain pelapisan sampel agar dapat dilihat melalui SEM, diantaranya adalah sebagai berikut.
a. Pelapis Dengan Sputter dan Evaporator
Teknik pelapisan sputter adalah paling popular dalam preparasi spesimen non konduktif untuk pengamatan dan analisis dengan SEM. Karena didapatkan lapisan yang lebih halus dan merata bila dibandingkan dengan pelapisan evaporasi.
Gambar 1. Permukaan isolator perlu dilapisi logam agar
dapat diamati dengan jelas di bawah SEM(Mikrajuddin A,2009)..
b. Pelapisan Dengan Karbon
Pelapisan bahan konduktif metalik seperti emas, perak dan lainnya dapat mengganggu hasil analisis dengan EDS (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy), maka pelapisan untuk analisis dengan SEM menggunakan pelapisan dengan karbon. Disarankan
untuk menggunakan dua ruang pelapisan, satu untuk pelapisan dengan karbon dan satu lagi untuk pelapisan dengan emas atau bahan konduktif lainnya.
Pada sebuah mikroskop elektron (SEM) terdapat beberapa peralatan utama antara lain:
a) Pistol elektron, biasanya berupa filamen yang terbuat dari unsur yang mudah melepas elektron misal tungsten.
b) Lensa untuk elektron, berupa lensa magnetis karena elektron yang bermuatan negatif dapat dibelokkan oleh medan magnet.
c) Sistem vakum, karena elektron sangat kecil dan ringan maka jika ada molekul udara yang lain elektron yang berjalan menuju sasaran akan terpencar oleh tumbukan sebelum mengenai sasaran sehingga menghilangkan molekul udara menjadi sangat penting.
Secara lengkap skema SEM dijelaskan oleh gambar dibawah ini:
gambar 2. Skema cara kerja SEM (sumber:iastate.edu)
Prinsip kerja dari SEM adalah sebagai berikut:
Sebuah pistol elektron memproduksi sinar elektron dan dipercepat dengan
anoda. Kemudian lensa magnetik memfokuskan elektron menuju ke sampel.
Lalu sinar elektron yang terfokus memindai (scan) keseluruhan sampel dengan diarahkan oleh koil pemindai. Selanjutnya ketika elektron mengenai sampel maka sampel akan mengeluarkan elektron baru yang akan diterima oleh detektor dan dikirim ke monitor (CRT).
Gambar 3. morfologi bakteri yang dilihat menggunakan SEM. Bentuk dan ukuran dari sampel dapat diamati dengan jelas dalam bentuk 3 dimensi.
Gambar 4. foto SEM dari membran keramik silikon karbida. Perhatikan bahwa struktur mikroskopis sangat berbeda dengan penampakan
makroskopisnya (Setiabudi, A, 2012).
Aplikasi metode karakterisasi dengan SEM sebagai berikut
1) Topografi: Menganalisa permukaan dan teksture (kekerasan, reflektivitas) 2) Morfologi: Menganalisa bentuk dan ukuran dari benda sampel
3) Komposisi: Menganalisa komposisi dari permukaan benda secara kuantitatif dan kualitatif.
Sedangkan kelemahan dari SEM yaitu a) Memerlukan kondisi vakum b) Hanya menganalisa permukaan c) Resolusi lebih rendah dari TEM
d) Sampel harus bahan yang konduktif, jika tidak konduktor maka perlu dilapis logam seperti emas.
1.2. Transmission Electron Microscopy (TEM)
TEM digunakan untuk analisis mikrostruktur, identifikasi defek, analisis interfasa, struktur kristal, tatanan atom pada kristal, serta analisa elemental skala nanometer.
Tahapan preparasi sampel TEM sebagai berikut :
1) Melakukan fiksasi, yang bertujuan untuk mematikan sel tanpa mengubah struktur sel yang akan diamati. Fiksasi dapat dilakukan dengan menggunakan senyawa glutaraldehida atau osmium tetroksida.
2) Pembuatan sayatan, yang bertujuan untuk memotong sayatan hingga setipis mungkin agar mudah diamati di bawah mikroskop
3) Pelapisan/pewarnaan, bertujuan untuk memperbesar kontras antara preparat yang akan diamati dengan lingkungan sekitarnya.
Pelapisan/pewarnaan dapat menggunakan logam berat seperti uranium dan timbal.
Gambar 5. Skema prinsip kerja dari TEM
Cara kerja dari TEM dimulai dari sumber emisi (pistol elektron) yaitu tungsten filament dan sumber lanthanum hexaboride (LaB6). Dengan menghubungkan pistol ini dengan sumber tegangan tinggi (biasanya ~ 100- 300 kV) pistol akan mulai memancarkan elektron baik dengan termionik maupun emisi medan elektron ke sistem vakum. ekstraksi ini biasanya dibantu dengan menggunakan silinder Wehnelt. Interaksi elektron dengan medan magnet akan menyebabkan elektron bergerak sesuai dengan aturan tangan kanan, sehingga memungkinkan elektromagnet untuk memanipulasi berkas elektron. Penggunaan medan magnet akan membentuk sebuah lensa
magnetik dengan kekuatan fokus variabel yang baik. Selain itu, medan elektrostatik dapat menyebabkan elektron didefleksikan melalui sudut yang konstan. Dua pasang defleksi yang berlawanan arah dengan intermediete gap akan membentuk arah elektron yang menuju lensa (Mikrajuddin A,2009).
Adapun prinsip kerja dari bagian-bagian TEM adalah sebagai berikut:
1. Electron source : Menghasilkan elektron monokromatik.
2. Condensor ions : Memfokuskan berkas elektron.
3. Condensor aperture : Mengurangi intensitas sinar dengan menyaring elektron dari beam.
4. Objective lens : Memfokuskan berkas.
5. Objective aperture : Meningkatkan Kontras dengan menghalangi difraksi elektron.
6. Projector lens : Memperbesar gambar.
7. Screen : Melihat hasil gambar.
Gambar 6. Foto TEM sampel partikel dan carbon nanotube (Mikrajuddin A,2009).
CNT tampak garis-garis adalah barisan atom-atom karbon yang membentuk dinding multiwall carbon nanotube. Jumlah lapisan kulit dapat ditentukan dengan mudah hanya dengan menghitung jumlah garis pada dinding.
Kelebihan TEM :
1. Menawarkan pembesaran yang paling kuat, hingga lebih dari satu juta kali pembesaran.
2. Digunakan untuk berbagai macam aplikasi dan dapat dimanfaatkan di berbagai bidang ilmiah, pendidikan dan industri yang berbeda.
3. Memberikan informasi tentang elemen dan struktur majemuk dengan gambar berkualitas tinggi dan detil.
4. Menghasilkan informasi tentang fitur permukaan, bentuk, ukuran dan struktur.
Kekurangan TEM :
1. Persiapan sampel untuk TEM umumnya memerlukan lebih banyak daripada kebanyakan teknik karakterisasi lainnya.
2. Banyak material memerlukan persiapan sampel yang rumit untuk menghasilkan sebuah sampel yang cukup tipis agar elektron dapat menembus sampel.
3. Struktur sampel juga mungkin berubah selama proses persiapan.
1.3. Scanning Tunnelling Microscope (STM)
STM mampu menangkap gambar atom dengan elektron berenergi rendah dan hanya bekerja pada permukaan konduksi. Probe terdapat atom tunggal pada ujungnya menscan permukaan dari dekat pada diameter atomik. Gerakan STM saat melakukan scan dikontrol oleh elemen pizoelektrik. Tegangan pada probe dan sampel menimbulkan arus yang sangat kecil, yang biasa disebut sebagai arus terowongan. Arus ini sangat peka terhadap jarak dari probe ke permukaan sampel. Hasil output yang berupa permukaan dapat diperoleh dengan mengukur arus tersebut, tergantung pada material elektrik sampel dan jarak antara ujung probe dan sampel (Luisa Filipponi , 2012).
Dengan adanya STM, memungkinkan para ilmuwan untuk memvisualisasikan densitas elektron dan mengetahui posisi masing-masing atom dan jari-jari permukaan kisi. STM menghasikan bentuk tiga dimensi dari permukaan untuk mengkarakterisasi kekasaran permukaan dan mengetahui ukuran dan komposisi molekul yang menyusun permukaan atom. STM menggunakan prinsip kuantum mekanik dimana elektron pada ujung probe dan elektron pada permukaan material menyebabkan terjadinya arus tunneling. Sebuah probe dengan ujung yang sangat runcing digerakkan diatas permukaan suatu material yang konduktif. Interaksi antara tip (ujung probe) dan permukaan sampel menyebabkan ion positif di permukaan ditarik sehingga elektron di permukaan memiliki energi total terendah dibandingkan elektron pada ujung probe.
Gambar 7. Skema STM (Luisa Filipponi , 2012).
Berdasarkan mekanika kuantum, elektron akan dapat bergerak melewati penghalang dari permukaan ke tip karena adanya proses tunneling.
Kabut elektron yang terkumpul pada atom logam pada permukaan memberikan jarak yang sangat kecil dibawah permukaan. Ketika tip diletakkan cukup dekat dengan permukaan, ada interaksi yang kuat antara kabut elektron pada permukaan dan tip, dan arus tunneling mengalir ketika tegangan yang kecil diberikan. Pada daerah dengan diameter atom kecil, arus tunneling meningkat perlahan dengan penurunan jarak antara tip dan permukaan. Perubahan arus dengan jarak menghasilkan resolusi jika tip membaca seluruh permukaan untuk menghasilkan citra (Luisa Filipponi , 2012).
1.4. Atomic Force Microscopy (AFM)
AFM termasuk kedalam mikroskop canggih sederhana pengoperasiannya. Prinsip kerja AFM juga sederhana dan dapat dipahami hanya dengan konsep-konsep fisika dasar. AFM tidak memerlukan sistem vakum, tegangan tinggi, maupun fasilitas pendingin seperti pada SEM dan TEM (Mikrajuddin, A, 2009).
Gambar 8. Tip AFM
Perangkat utama sebuah AFM adalah sebuah tip yang sangat tajam yang ditempatkan di ujung cantilever, seperti gambar diatas. Cantilever beserta tip digerakkan sepanjang permukaan benda yang diamati. Dengan adanya tekstur permukaan benda yang tidak rata maka selama mengerakkan tip sudut kemiringan cantilever berubah-ubah. Perubahan sudut tersebut memberikan informasi kealaman tekstur permukaan benda (Mikrajuddin, A, 2009).
Sudut yang dibentuk cantilever dengan maengarahkan berkas tipis sinar laser kearah cantilever dan sudut sinar pantul ditentukan. Perubahan sudut cantilever menyebabkan perubahan arah sinar pantul. Kedua sudut tersebut berjkaitan satu dnegan yang lainnya. Dengan kata lain, dengan mngetahui sudut sinar pantul maka sudut cantilever dapat di ketahui, dan pada akhirnya kedalaman tekstur permukaan benda dapat dketahui. Sudut pantul sinar laser pada berbagai titik scan ditentukan. Selanjutnya dengan program pengolahan citra yang ada dalam computer, prfil permukaan sample dapat dibangun (Mikrajuddin, A, 2009).
2. Spektroskopi
Spektroskopi merupakan studi antaraksi radiasi elektromagnetik dengan materi.
Beberapa metode karakterisasai yang termasuk ke dalam spektroskopi yaitu 2.1. X-Ray Diffraction (XRD)
Difraksi Sinar X (XRD) merupakan metode analisa yang memanfaatkan interaksi antara sinar-x dengan atom yang tersusun dalam sebuah sistem kristal. Prinsip kerja dari XRD yaitu setiap senyawa terdiri dari susunan atom-atom yang membentuk bidang tertentu. Jika sebuah bidang memiliki bentuk yang tertentu, maka partikel cahaya (foton) yang datang dengan sudut tertentu hanya akan menghasilkan pola pantulan maupun pembiasan yang khas. Dengan kata lain, tidak mungkin foton yang datang dengan sudut tertentu pada sebuah bidang dengan bentuk tertentu akan
menghasilkan pola pantulan ataupun pembiasan yang bermacam-macam.
Sebagai gambaran, bayangan sebuah objek akan membentuk pola yang sama seandainya cahaya berasal dari sudut datang yang sama (Setiabudi, A, 2012).
Kekhasan pola difraksi yang tercipta inilah yang dijadikan landasan dalam analisa kualitatif untuk membedakan suatu senyawa dengan senyawa yang lain menggunakan instrumen XRD. Pola unik yang terbentuk untuk setiap difraksi cahaya pada suatu material seperti halnya fingerprint (sidik jari) yang dapat digunakan untuk mengidentifikasi senyawa yang berbeda (Setiabudi, A, 2012).
Hukum Bragg merupakan perumusan matematik mengenai proses difraksi yang terjadi sebagai hasil interaksi antara sinar-X yang dipantulkan olehmaterial .Pantulan tersebut terjadi tanpa mengalami kehilangan energy sehingga menghasilkan pantulan elastis atau elastic scattering. Bragg menunjukan bahwa bidang yang berisi atom-atom di dalam kristal akan memantulkan radiasi dengan cara yang sama persis dengan peristiwa pemantulan cahaya di bidang cermin (Setiabudi, A, 2012).
Gambar 9. Pemantulan cahaya pada bidang Kristal (bidang Bragg) Preparasi sampel yang akan dianalisa dengan difraktometer sinar x relatif mudah. Material yang akan dianalisa cukup disiapkan sekitar 0,1 gram dan bebas dari pengotor. Material dihaluskan sampai berukuran sekitar 10 µm (200-mesh). Meletakkan pada sampel holder secara merata pada permukaan yang mendatar dan material sampel telah siap untuk dianalisa (Setiabudi, A, 2012).
Gambar 10. Sampel holder (Setiabudi, A, 2012).
Komponen-komponen utama yang terdapat pada XRD adalah tabung elektron, monokromator, filter, sampel holder, detector, dan software analisa. XRD dapat digunakan untuk menentukan struktur Kristal, analisis reaksi kimia dan sintesis material, dan analisis kemurnian suatu spesi (Setiabudi, A, 2012).
2.2. Spektroskopi Infra Merah (IR)
Spektroskopi IR (Infra Merah) adalah studi mengenai interaksi antara energi cahaya dan materi, dimana energi yang dipancarkan berasal dari radiasi inframerah dengan panjang gelombang yang lebih panjang dari cahaya tampak, tetapi lebih pendek dari radiasi gelombang mikro.
Spektrofotometri IR adalah salah satu teknik analisis yang penting karena dapat mempelajari berbagai jenis sampel, baik identifikasi senyawa organik maupun anorganik
Interaksi energi IR terhadap molekul menyebabkan terjadinya vibrasi molekuler. Ketika radiasi IR dilewatkan melalui suatu cuplikan, maka molekulnya dapat mengabsorbsi energi dan terjadilah transisi diantara tingkat vibrasi dasar dan tingkat vibrasi tereksitasi. Energi yang terserap ini akan dibuang dalam bentuk panas bila molekul kembali ke keadaan dasar. Supaya molekul dapat menyerap energi IR, maka gerakan vibrasi atau rotasinya
harus disertai perubahan momen dwikutub/dipol. Jika frekuensi sinar tepat sama dengan salah satu natural vibrational frequency dari molekul, maka sinar akan diserap sehingga terjadi perubahan amplitudo vibrasi dari molekul
Gambar 11. Cara kerja spektroskopi IR
Prinsip kerja spektrofotometer IR yaitu radiasi dari sumber radiasi IR dipecah oleh pencacah sinar menjadi dua bagian yang sama dengan arah yang saling tegak lurus. Kemudian kedua radiasi tersebut dipantulkan kembali ke dua cermin sehingga bertemu kembali di pencacah sinar untuk saling berinteraksi. Dari sini sinar dipancarkan ke cuplikan yang dapat menyerap energi, setelah itu terjadilah transisi diantara tingkat energi vibrasi dasar dan tingkat vibrasi tereksitasi berupa berkas radiasi IR yang ditangkap oleh detektor, kemudian signal yang dihasilkan dari detektor direkam sebagai spektrum IR yang berbentuk puncak-puncak absorpsi berupa grafik.
Sebagian sinar dari pencacah akan dibalikan ke sumber gerak. Maju mundur cermin akan menyebabkan sinar mencapai ke detektor berfluktuasi tetapi terkendali
DAFTAR PUSTAKA
Luisa Filipponi and Duncan Sutherland. (2012). Nanotechnologies : Principles, Applications,Implications and Hands-On Activities. Luxembourg:
Publications Office Of The European Union.
Merkli, Sandro. (2008). Scanning Tunneling Microscope. Kantonsschule Wettingen Maturaarbeit.
Mikrajuddin, A, dan Khairurrijal.(2009).Review: Karakterisasi Nanomaterial. Jurnal Nanosains & Nanoteknologi Vol. 2 No.1.
Miyazaki K, Islam N. (2007). Nanotechnology systems of innovation – An analysis of industry and academia research activities. Technovation ; 27: 661-671.
Setiabudi, A, dkk. (2012).Karakterisasi Material : Prinsip dan Aplikasinya dalam Penelitian Kimia. Bandung : UPI Press.