CAMPURAN NANO-PERIKLAS DAN SUBNANO-RUTIL

STUDI DATA DIFRAKSI SINAR-X SAMPEL CAMPURAN NANO-PERIKLAS DAN SUBNANO-RUTIL

Kusuma Wardhani Mas’udah

Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Surabaya, Indonesia 60111

E-mail: masudahkusuma@ymail.com

ABSTRAK

            Telah dilakukan studi data difraksi sinar-X pada campuran nano-periklas dan subnano-rutil. Serbuk nano-periklas diperoleh setelah kalsinasi 500°C, subnano-rutil setelah kalsinasi 800°C. Pencampuran keramik nano-periklas dan subnano-rutil tersebut dilakukan dengan dua metode, yaitu pencampuran menggunakan spatula dan mortar. Analisis kualitatif dilakukan dengan menggunakan program Match!. Analisis kuantitatif material berdasarkan data difraksi sinar-X dilakukan dengan analisis Rietveld, serta didapatkan persen berat fasa periklas sebesar 46,90 % dan fasa rutil sebesar 53,10 %. Kesesuaian (figures-of-merits-FoMs) penghalusan dengan Rietica dan MAUD diperoleh GoF sebesar 1,77 dan sig sebesar 1,52. Sehingga, penghalusan Rietveld dapat diterima menurut kriteria yang disyaratkan yaitu GoF < 4% dan sig < 2%.

Kata kunci

Campuran periklas dan rutil, Difraksi sinar-X, Analisis Rietveld.

 

1.        PENDAHULUAN

 Pada saat ini penelitian dibidang nano sedang ramai dilakukan oleh para ahli, dalam perkembangannya material nano dapat diaplikasikan sebagai konvertor katalitis di dalam mobil yang membantu memindahkan air pengotor, alat di dalam komputer yang berfungsi untuk membaca dan merekam dalam komponen hard-disk, sunscreens tertentu, kosmetik yang dapat menghalangi radiasi berbahaya dari matahari, pakaian mantel khusus untuk sports yang mampu meningkatkan performen atlet. Meski demikian, banyak ilmuwan, insinyur, dan teknolog percaya bahwa mereka hanya memanfaatkan sebagian permukaan dari potensi nanoteknologi [7]. Secara umum material berukuran nano diharapkan dapat memperbaiki karakteristik bahan baik sifat listrik maupun mekanik.                 Banyak material berupa campuran (bukan komposit) yang memiliki aplikasi khusus di antaranya adalah campuran keramik. Material campuran dapat dikembangkan menjadi nanomaterial. Campuran yang mengandung nanomaterial dapat diperoleh dengan berbagai cara, salah satunya adalah kopresipitasi. Metode kopresipitasi merupakan metode basah yang melibatkan reaksi kimia didalamnya dan digunakan dalam fabrikasi serbuk nanokristalin. Pembentukan nanokristalin selain kopresipitasi adalah high energy ball milling. Jenis high energy ball milling adalah wet milling dan dry milling. Penggilingan merupakan salah satu contoh proses lanjutan menekan atau menumbuk serbuk dengan material yang lebih keras untuk membentuk keadaan yang homogen [4]. Hal penting berikutnya adalah bagaimana mengkarakterisasi campuran yang mengandung nanomaterial ini.

Karakterisasi campuran nanomaterial ini salah satunya dilakukan dengan pengukuran difraksi sinar-x. Komposisi fasa, parameter kisi, ukuran kristal merupakan beberapa data yang dapat diperoleh dengan analisis data difraksi. Hal inilah yang menjadikan data difraksi menjadi hal penting dan menarik untuk dikaji dalam berbagai analisis material dan dirasa cukup lengkap walaupun masih tetap perlu alat karakterisasi lanjut. Dalam hal penggunaan difraksi sinar-x, berbagai kondisi pengukuran bisa digunakan baik dalam pemilihan jangkau sudut, step size maupun kehomogenan suatu sampel campuran. Berdasarkan pertimbangan tersebut, studi data difraksi sinar-X terhadap sampel campuran 50% MgO - 50% TiO₂ perlu dilakukan lebih mendalam guna mendapatkan parameter-parameter hasil keluaran yang signifikan. Dalam tulisan ini, akan dibahas studi kualitatif dan kuantitatif sampel campuran 50% nano-periklas dan 50% subnano-rutil berdasarkan data difraktometer sinar-X.

2.        METODE PENELITIAN

Campuran keramik nano-periklas dan subnano-rutil disintesis dengan cara mencampur serbuk periklas dan rutil. Sebelum dicampur, serbuk magnesium yang dikeringkan pada suhu 500°C selama 30 menit sedangkan TiO₂ pada suhu 800°C selama 2 jam. Kemudian serbuk keramik nano-periklas dan subnano-rutil dicampur dengan dua perlakuan yaitu menggunakan spatula dan menggunakan mortar dengan perbandingan komposisi campuran 50% periklas-50% rutil. Sampel divakumkan dengan menggunakan desikator yang dihubungkan dengan pompa vakum untuk menghindari reaksi periklas dengan H₂O di udara lembab agar tidak terbentuk senyawa Mg(OH)₂.

Campuran keramik nano-periklas dan subnano-rutil dikarakterisasi menggunakan difraksi sinar-X pada ”sudut panjang”, yaitu 2θ =20-115° dengan step size 0,02°. Hasil pengujian difraksi sinar-X didapatkan pola-pola difraksi yang selanjutnya akan dianalisis secara kualitatif dan kuantitatif [2].

 Proses identifikasi fase didasarkan pada pencocokan data dengan metode Search and Match menggunakan software Match!. Analisis kuantitatif karakteristik material berdasarkan data difraksi sinar-X dilakukan dengan analisis Rietveld [6]. Perangkat lunak yang digunakan dalam metode Rietvield ini adalah Reitica dengan proses refinement. Sedangkan analisis ukuran kristal digunakan software MAUD.

3.        HASIL DAN PEMBAHASAN

Proses identifikasi fasa didasarkan pada pencocokan data menggunakan program Match! dan teridentifikasi fasa MgO dengan kode referensi ICDD 00-045-0946 dan TiO₂ dengan kode referensi ICDD 00-021-1276.  Hal ini menunjukkan campuran nano-periklas dan subnano-rutil pada pencampuran menggunakan mortar terbukti hanya teridentifikasinya fasa-fasa periklas dan rutil, yang berarti pencampuran kering menggunakan mortar maupun spatula tidak terjadi reaksi kimia, sehingga tidak menghasilkan fasa baru.

Gambar 1: Hasil search match pada pola difraksi sinar-X (λ_Cu-Kα = 1,54056 Å) campuran keramik nano-periklas dan subnano-rutil

Sebelum dilakukan analisis dengan Rietica perlu dibuat suatu model yang didapatkan dari database kristalografi. Dalam penelitian ini model dibuat dari data ICSD dan COD yang sesuai dengan bahan yang digunakan, untuk periklas digunakan COD nomor 1000053 (Sasaki, 2013) dengan R-value 0,0126, sedangkan untuk rutil digunakan ICSD nomor 64987 (Shintani, 1998) dengan R-value 0,016. Pemilihan R-value yang kecil dikarenakan semakin kecil nilainya maka model akan mempunyai kemungkinan besar lebih sesuai dengan pola terukur. Memilih data kristalografi kadang-kadang tidak mudah, bahkan banyak kristal yang masih belum tersedia data kristalografinya. Oleh karena itu, keputusan menggunakan sebuah koleksi data harus dilandasi oleh alasan-alasan yang mendukung, temasuk identifikasi fasa yang akurat [5].

Setelah model dibuat, selanjutnya dilakukan proses penghalusan Rietveld menggunakan perangkat lunak Rietica. Urutan proses penghalusan dan parameter-parameter yang dihaluskan selalu sama, yaitu background (B0, B1, B2), sample displacement, parameter kisi, phase scale, factor thermal (B), komponen Gaussian (U), komponen Gamma (gamma 0, gamma 1, gamma 2). Analisis Rietveld dilakukan melalui proses refinement. Hasil penghalusan dengan program Rietica ditunjukan pada Gambar 2 dengan jangkauan sudut 20-80^oC. Terlihat bahawa tingkat kesesuaian antara data terhitung dan terukur cukup baik, yang ditunjukan oleh kesesuaian antara model terhitung dengan model terukur. Fluktuasi selisih yang ditunjukan oleh garis berwarna hijau pada Gambar 2 sudah cukup kecil walaupun ada beberapa bagian puncak yang masih cukup besar, sehingga menunjukan bahwa proses penghalusan cukup berhasil.

Tabel 1 menunjukan kesesuaian (figures-of-merits-FoMs) penghalusan dengan Rietica dan MAUD. Penghalusan Rietveld dapat diterima menurut kriteria GoF < 4% dan Rwp < 20% [1]. Berdasarkan Tabel 1 menunjukan bahwa penghalusan Rietveld sudah memenuhi kriteria GoF dan nilai Rwp yang disyaratkan. Sedangkan penghalusan Rietveld dengan MAUD dapat diterima dengan syarat sig < 2% dan Rw < 15% [3]. Tabel 1 menunjukan bahwa penghalusan Rietveld dengan MAUD hanya memenuhi kriteria sig, sedangkan nilai Rw belum memenuhi yang disyaratkan oleh Lutterotti. Parameter-parameter yang diperhalus tersebut selanjutnya diekstrak dan dianalisis lebih lanjut.

Tabel 1:  Tingkat kesesuaian (figures-of-merit, dalam %) dari penghalusan Rietveld dengan Rietica dan MAUD

Rietica		MAUD
GoF	Rwp	Sig = GoF	Rw
1,77	18,47	1,52	24,42

Gambar 2: Hasil penghalusan dengan Rietica (λ_CuKα = 1,54056 Å). Pola terukur ditunjukan dengan tanda (+), pola terhitung ditunjukan dengan garis berwarna merah, sedangkan garis berwarna hijau menunjukan selisih antara keduanya.

Gambar 3: Hasil penghalusan dengan MAUD (λ_CuKα = 1,54056 Å). Pola terukur ditunjukan dengan tanda (+) warna biru dan pola difraksi terhitung digambarkan dengan garis lurus warna hitam, sedangkan Kurva paling bawah menunjukkan selisih antara keduanya. Garis-garis tegak menyatakan posisi-posisi puncak Bragg.

Tabel 2: Komposisi, parameter kisi dan densitas dari fasa nano-periklas dan subnano-rutil setelah proses penghalusan Rietveld dengan Rietica dan MAUD. Nilai error ditunjukan dalam tanda kurung

Parameter		Rietica		MAUD
		Periclas	Rutile	Periclas	Rutile
Persen berat (%)		46,90	53,10	45,16	54,83
Persen molar (%)		63,65	36,35	-	-
Parameter kisi (	a	4,2217 (5)	4,5951 (7)	4,2212 (2)	4,5943 (4)
	b	4,2217 (5)	4,5951 (7)	4,2212 (2)	4,5943 (4)
	c	4,2217 (5)	2,9606 (5)	4,2212 (2)	2,9596 (4)
	α	90	90	90	90
	β	90	90	90	90
	γ	90	90	90	90
Densitas		3,56	4,24	3,56	4,25

Berdasarkan analisis Rietveld didapatkan data prosentase berat, molar, parameter kisi dari masing-masing fasa sebagaimana ditunjukan Tabel 2. Analisis ukuran kristal dilakukan dengan program MAUD. Proses penghalusan dilakukan dengan menghaluskan parameter background, faktor skala, parameter kisi, faktor termal, parameter-parameter pelebaran puncak, ukuran kristal, micro-strain, distribusi ukuran ristal (D_v), dan distribusi microstrain secara berurutan. Nilai FoM dari proses penghalusan dengan MAUD ditunjukan pada Tabel 1. Hasil penghalusan dengan program MAUD ditunjukan pada Gambar 3. Terlihat bahwa tingkat kesesuaian antara data terhitung dan terukur cukup baik, yang ditunjukan oleh kesesuaian antara model terhitung dengan model terukur, walaupun nilai FoM dari penghalusan dengan program MAUD sebagian belum memenuhi kriteria Lutteroti. Ukuran kristal periklas yang dikalsinasi pada suhu 500°C adalah (14,74 ± 1,42) nm, sedangkan rutil yang dikalsinasi pada suhu 800°C adalah (101,83 ± 5,91) nm, keduanya diperoleh dari proses penghalusan dengan MAUD. Pada Gambar 1 juga dapat dilihat bahwa pelebaran puncak periklas besar dan pada umumnya pelebaran puncak rutil sempit, hal ini mengindikasikan bahwa ukuran periklas adalah nanometer sedangkan rutil adalah sub-nanometer.

4.        KESIMPULAN

Berdasarkan penelitian dan analisis data yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa dengan uji difraksi sinar-X pada keramik campuran 50% periklas dan 50% rutil, yang dilakukan dengan dua perlakuan yaitu menggunakan spatula dan menggunakan mortar, dihasilkan pelebaran puncak periklas besar dan pada pelebaran puncak rutil sempit. Ukuran kristal yang dihasilkan dari proses peghalusan MAUD pada fasa periklas adalah sekitar 14 nm dan fasa rutil adalah sekitar 100 nm. Kesesuaian (figures-of-merits-FoMs) penghalusan dengan Rietica dan MAUD diperoleh GoF sebesar 1,77 dan sig sebesar 1,52. Sehingga, penghalusan Rietveld dapat diterima menurut kriteria yang disyaratkan yaitu GoF < 4% dan sig < 2%. Hal ini mengindikasikan bahwa periklas adalah nanomaterial sedangkan rutil adalah sub-nanomaterial.

DAFTAR PUSTAKA

[1]  E.H Kisi, R., Analysis of Powder Diffraction Patterns. Material Forum, 1994. 18: p. 135-153

[2]  Hariyani, Yufi (2011). Analisis Komposisi Fasa Campuran-Nano Periklas dan Subnano-Rutil. Laporan Tugas Akhir Jurusan Fisika FMIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya.

[3]  Lutterotti, L.M., Material Analysis using Diffraction. Available from: http://www.ing.unitn.it/maud, 2006 (cited 2009, 5 March 2009)

[4] Pratapa, S. (2003). Synthesis and character fungtionally-gradded aluminium titanate/ zirconia alulmina composite. Australia, Curtin University of technilogy.

[5]  Pratapa, S. (2009). Analisis Data Difraksi Menggunakan Metode Rietveld. Surabaya

[6]  Rietveld, H.M., A, Profile refinement method for nuclear and magnetic structure. journal of applied crystalography, 1986. 2:p.65-7

[7] Sartono (2006). “Nnoteknologi”. Fisika FMIPA. Universitas Indonesia.