STRUKTUR KARAKTERISTIK MATERIAL ANORGANIK

(Tugas Rangkuman karakteristik dan metode sintesis nanopartikel)

Struktur Ionik

Disusun oleh :

Alief Putriana Rahman (1412100005)

Yurike Ika Cahyo ( 1412100060)

Dosen Pengampu :

Hamzah Fansuri

JURUSAN KIMIA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2015

KARAKTERISTIK DAN METODE SINTESIS NANOPARTIKEL

Bahan nano atau nano material dapat didefinisikan sebagai bahan yang telah mempunyai komponen struktur dengan ukuran kurang dari 100 nm dalam satu dimensi. Nanoteknologi adalah teknologi canggih, yang berkaitan dengan sintesis nano-partikel, pengolahan bahan nano dan aplikasinya.

Terdapat tiga aspek dalam mempelajari nano partikel yaitu

1. sintesis2. dispersi dan 3. karakterisasi dari nano partikel.

Ada 2 metode yang digunakan untuk memperoleh nanopartikel

1. Metode Bottom UpBerawal dari atom dan molekul (Bottom), yang bereaksi secara kimia dan secara fisik untuk membentuk struktur nanoContohnya : deposisi uap bahan kimia (CVD), deposisi lapisan atom (ALD), pertumbuhan Kristal dan seterusnya.

2. Metode Top-Down

Berawal dari material yang besar (Top) yang kemudian di reduksi menjadi struktur nano (Down) dengan proses secara fisik dan kimia. Metode Top-Down akan lebih di jelaskan pada penjelasan selanjutnya

Ada beberapa poin yang akan dibahas yaitu pengenalan terhadap material yang termasuk dalam nano teknologi, beberapa aspek dari nano teknologi, dan beberapa aplikasi dari nano teknologi, kemudian metode sintesis dari nano material khususnya metode buttom-up. Pada dasarnya, metode sintesis nano-partikel dapat diklasifikasikan sebagai bottom-up dan top-down. Buttom-up merupakan pengambilan prekursor yang pada dasarnya dalam bentuk atom (kecil), kemudian dikumpulkan menjadi suatu bahan dalam dimensi nano. Jadi metode sintesis bottom-up mengklasifikasikan suatu bahan berdasarkan sifat alami dari prekursor yaitu dalam bentuk padat yang harus diuapkan untuk menghaslkan uap yang kemudian dapat mengkristal untuk membentuk partikel padat. Sedangkan untuk prekursor dalam bentuk tetesan cairan atau uap, dapat menggunakan sintesis plasma termal.

Metode sintesis dan aplikasi material nano

1. Sintesis plasma termal dilakukan dengan cara meninjeksikan prekursor kedalam plasma termal, prekursor didekomposisikan kedalam bentuk atom dimana akan bereaksi atau terkondesasi menjadi bentuk partikel. Ketika didinginkan dengan mencampur gas dingin atau dikembangkan melalui nozzle. Hasil dari sintesis plasma termal digunakan untuk produksi SiC dan TiC untuk pelapis keras bentuk nano. Persediaan plasma energi tambahan untuk mengubah prekursor menjadi atom-atom dalam bentuk berat molekul yang tinggi dengan menggunakan penyinaran plasma dapat dipecah menjadi atom penyusunnya, yang kemudian dapat bereaksi atau terkondensasi membentuk partikel. Hal tersebut dapat dilakukan dengan cara pendinginan-pencampuran gas dingin atau

memperbesar penguapan melalui nozzle. Metode ini dimanfaatkan untuk produksi silikon karbida dan titanium karbida untuk pelapis nano panas pada wajah.

2. Teknik lain yaitu sintesis nyala api atau disebut reaksi pembakaran. Reaksi pembakaran digunakan untuk menghasilkan panas yang dibutuhkan untuk mendorong reaksi sampai selesai. Akan tetapi, metodeini memiliki beberapa kelemahanyaitu pembakaran adalah bukan proses yang mudah untuk dikontrol, sehingga merupakan proses yang kompleks, sedangkan proses ini banyak digunakan untuk pembuatan oksida, partikel nano oksida, serta . Dan baru-baru ini, kami telah mampu membuat berbagai jenis partikel nano oksida setara aglomerat sinter. Rreaksi pembakaran yang dikontrol baik dapat menstabilkan reaksi dan menghasilkan distribusi ukuran partikel yang dapat dikontrol.

3. Pirolisis api semprot (flame spray pyrollysis) adalah kombinasi dari dua metode, pirolisis api dan pirolisis semprot. Cairan disemprotkan langsung ke api, sehingga prekursor cair masuk ke dalam api. Dalam pirolisis air semprot digunakan prekursor bertekanan uap rendah, serta diaplikasikan untuk sintesis partikel silika dari hexamethyldisiloxane.

4. Sintesis reaktif temperatur rendah merupakan reaksi prekursor fase uap yang dipengaruhi langsung oleh penambahan panas dari luar, sintesin ini digunakan untuk partikel nano yang tidak membutuhkan temperatur tinggi. Contohnya nano partikel ZnSe dari dimethylzinc-trimethylamine dan hidrogen selenida dengan mencampurnya adalam reaktor conterflow jet pada RT. Panas yang cukup dari reaksi untuk proses kristalisasi partikel. Keuntungan dari metode ini adalah menggunakan prekursor yang hanya memiliki tekanan uap rendah, karena proses pembakaran akan menyediakan panas yang cukup untuk menguapkan bahan prekursor yang memiliki tekanan uap rendah. Dan metode tersebut digunakan untuk sintesis partikel silika.

Beberapa metode diatas menggunakan suhu tinggi dalam prosesnya, sehingga terdaat beberapa kekurangan yaitu apabila digunakan pada bahan yang tidak sesuai dengan suhu tinggi maka akan berdampak kerusakan ikatan atau mengubah komposisi materi dari material tersebut.

5. Teknik lain yaitu diujicobakan prekursor fase uap untuk bereaksi tanpa menambahkan panas dan tanpa menghasilkan panas. Misalnya partikel nano seng selenium dapat dibuat dari dimethylzinc, trimethyleamine dan selenide hydrozen dengan menggunakan teknik ini. Digunakannya pendekatan pencampuran menggunakan reaktor jet aliran balik yang disimpan pada suhu kamar, tetapi memberikan pencampuran yang sangat dalam dari reaktan, panas reaksi itu sendiri memungkinkan mengkristalkan partikel. Hal ini menyebabkan proses yang sangat efisien energi karena dapat dilakukan pada suhu kamar tanpa penambahan panas dari luar, tidak ada pembangkitan panas dan disipasi panas yang menandakan bahwa digunakannya peralatan yang sederhana.

6. Bottom-up adalah pembuatan partikel nano yaitu sintesis nano kimiasono. Ultra suara digunakan untuk mensintesis partikel nano dari pendekatan buttom-up sebaik pendekatan top-down.Penggunaan medan akustik untuk cairan, suhu dan tekanan sangat tinggi dapat diterapkan dalam cairan sebagai kavitasi terjadi.

Medan akustik berosilasi otomatis membentuk gelembung dalam cairan, melepaskan sejumlah energi yang tinggi. Menurut teori hot spot, gelembung meledak pada suhu urutan 5000-25000oKdapat direalisasikan selama beberapa detik nano, yang diikuti dengan pendinginan yang sangat cepat. Namun selama ini, pada saat suhu tinggi dan tekanan tinggi, reaksi kimia dapat didorong oleh beberapa kali lipat lebih cepat daripada proses sebaliknya. Jadi, efek kavitasi akustik dapat memutuskan ikatan kimia dan dapat membuat reaksi kimia berjalan sangat, sangat, cepat dan karena itu dapat mengintensifkan proses dimana partikel nano yang disintesis menggunakan reaksi kimia.

Tingkat pendinginan yang tinggi dapat memberi keuntungan dalam beberapa hal, karena dengan pendinginan, reaksi yang terjadi secara alami dalam bidang kavitasional, pencegahan kristalisasi dari produk, sehingga dapat membuat partikel nano amorf sangat mudah dengan menggunakan metode sonokimia.

Oleh karena itu, dianggap sebagai proses superior untuk menyiapkan partikel nano amorf karena mekanisme pendinginan ini. Penyisipan material nano kedalam material mesopori juga menjadi mungkin karena pada pembersihan permukaan, ketika memasangkan bidang akustik pada dua benda cair, kavitasi yang merupakan mekanisme ledakan gelembung dan aliran akustik yang merupakan kecepatan tinggi aliran searah yang diinduksi dengan frekuensi sangat tinggi ketika gelembung sangat halus, tapi kepadatan gelembung sangat tinggi.

Penyimpanan partikel nano dapat dilakukan pada permukaan keramik dan permukaan polimer, sehingga dapat membentuk partikel nano dengan bentuk dasar bulat. Reaksi sonokimia sangat cocok untuk membuat partikel nano bulat, sehingga juga akan terjadi sono-fragmentasi yang juga memiliki efek pembuatan partikel nano bulat. Sonokimia dapat dimanfaatkan dalam pembuatan partikel sangat kecil karena efek pendinginan yang cepat ini dari awal hingga pembentukan. Proses yang dibutuhkan juga semakin cepat karena proses pembentukan tidak membutuhkan waktu yang lama untuk partikel nano untuk tumbuh hingga ukuran yang lebih besar, sehingga sonokimia bisa sangat efektif dikerahkan untuk mengontrol ukuran.

Contoh reaksi sintesis sonokimia yaitu :

1. S-2, Se-2, Te-2 digunakan dalam detektor optik non-linear, alat fotorefraktif, sel surya PV, media penyimpanan optik

2. Emas, Co, Fe, Pg, Ni, Au/Pd. Fe/Co3. Oxida ukuran nano (titania, silika, ZnO, ZrO2, MnOx)

Beberapa keuntungan dari reaksi sintesis sonokimia yaitu pendispersi yang sama, area permukaan yang lebih tinggi, kestabilan termal yang lebih baik, kemurnian fasa dari kristal nano telah diketahui. Contoh lain dari proses sintesis sonokimia yaitu :

1. Pelapisan MgO pada LiMn2O4

2. Disimpannya partikel magnetik Fe2O3 dalam MgB2 bulki.3. Nanotube dari C, hidrokarbon, TiO2, MeTe2

4. Nanorod dari Bi2S3, Sb2S3, Eu2O3, WS2, WO2, CdS, ZnS, PbS, Fe3O4

5. Nanowire dari SeTipe mesin pereduksi ukuran yaitu :

1. Penghancur (misalnya penghacur Jaw, penghancur gyratori)2. Penggiling (penggiling martir/hammer mills, penggiling gulung/rolling mills,

penggiling aus/attrition mills, tumbling mills/ball mill)3. Penghancur ultra halus/ultrafin (misalnya penggiling energi fluida, penggiling aduk.4. Mesin pemotong (misalnya pisau, dicers)

Pada sintesis nano partikel metode top-down, reduksi ukuran merupakan mekanisme awal dalam membuat partikel nano awal dari hancuran partikel ukuran besar

Alat-alat tersebut banyak dijumpai di laboratorium ataupun operasi proses mekanik pada industri. Alat diatas cukup efektif dalam reduksi ukuran dengan ukuran 10s atau 100s dari ukuran mikron

Sebuah bantalan bola serta penggiling ultra-halus efektif dalam membuat partikel dengan ukuran 10 mikron, tetapi untuk ukuran di bawah 10 mikron sampai 1 mikron atau kurang, ada beberapa keterbatasan dalam sintesis partikel nano.

6. Ball Milling merupakan metode dalam menghasilkan material nano, proses ini digunakan dalam memproduksi logam dan keramik berbahan nano material, alat ini dilengkapi dengan media yang terdiri dari wolfram karbida atau baja grinding. Bola berputar di sekitar sumbu horisontal, sebagian diisi dengan bahan yang akan digiling ditambah media grinding. Mekanisme ball milling yaitu memiliki jenis konfigurasi putaran sumbu horisontal yang lambat pada permukaan silinder dan mengisi sekitar setengah dari volume yang dilengkapi dengan medium grinding padat, dapat dioperasikan dengan metode kontinyu atau batch, reduksi dengan cara penumbukan, gaya aksi dalam ball mill adalah gaya sentrifugal sepanjang sisi dinding dan gaya gravitasi yang disebabkan oleh ball jatuh ke dasar.

Kecepatan kritis dari ball mill yaitu

Nc = ½ π*√ ¿

Dimana g : percepatan gravitasi

R : jari-jari silinder

r : jari-jari bola

Kecepatan operasi dari bola tidak lebih dari 75 sampai 80 persen dari kecepatan kritis, bola akan mengikuti gerak melingkar dari ruang penggilingan daripada menjatuhkan diri.

Gambar 1 : Ball Milling

Gambar diatas menjelaskan skema materi (berwarna kuning) yang dalam proses penghancuran dalam media penggilung. Pada dasarnya proses penghancuran diri, seperti permukaan menjadi halus, menjadi sangat sulit untuk mengurangi ukurannya lebih lanjut. Namun, secara luas digunakan di banyak industri pengolahan mineral, industri semen, pengolahan batu bara dan sebagainya.

Dalam contoh ini dapat dilihat bahwa bagian dalam ruangan diisi dengan bahan inert untuk mencegah oksidasi. Jadi partikel logam nano tanpa oksida dapat dilakukan denga cara menyediakan lingkungan inert. Tabel ini menunjukkan bahwa perbedaan antara ball milling dan energi tinggi ball milling :

Salah satu perbedaan utama adalah dalam energi tinggi ball mill lebih lama, sehingga ukuran rata-rata patikel berkurang.

Atmosfer vakum dalam ball mill energi tinggi dan suhu dapat dikontrol dari suhu di bawah nol yang dicapai dengan menggunakan cairan cryogenic untuk 700 derajat Celcius, sehingga suhu yang mungkin terjadi dalam ball mill energi tinggi sangat luas berkisar.

Energi dampak dari vibrasi ball mill dapat dihitung berdasarkan kondisi operasi, khususnya, frekuensi vibrasi bola. Vibrasi Ball mill adalah sebuah alternatif untuk dampak bola milling, di mana bola jatuh oleh gaya gravitasi, dan itu adalah metode lain untuk membuat partikel halus dari media kasar. Namun, vibrasi ball milling tidak banyak digunakan dalam industri dibandingkan dengan dampak berbasis ball milling yang lebih konvensional. Saat ini dilakukan pembatasan ukuran dikarenakan adalah bahwa ukuran partikel yang tersedia dialam menurun menjadi mono kristal, dan kebutuhan energi untuk memecah partikel terus meningkat.

Hasil lain dalam proses ball milling

1. Struktur nano karbon dengan bola-penggilingan grafit. 2. Gulungan karbon yang dihasilkan oleh energy tinggi ball milling dari grafit.3. Karbon nanoporous dihasilkan oleh ball milling. 4. Nukleasi dan pertumbuhan dari karbon nanotube dalam proses mechano-thermal5. Karbon nanotube dibentuk dalam grafit setelah penggilingan mekanik dan aneling

termal.6. Mikrosfer karbon dihasilkan oleh energy tinggi ball milling dari bubuk grafit7. Tabung karbon yang dihasilkan dalam energy tinggi selama proses ball milling.8. Kurva Struktur nano karbon yang dihasilkan oleh proses ball milling9. Energi rendah murni geser penggilingan: Sebuah metode untuk pembuatan lembar

nano dari grafit.

7. Anil termal pada dasarnya mengambil bahan nano yang telah diproduksi dan mengekspos ke suhu tinggi dengan cara yang terkendali untuk mendapatkan struktur dan ukuran tertentu. Biasanya, anil termal mendapatkan Struktur sinter lebih sulit dibandingkan dengan struktur amorf yang biasanya dihasilkan oleh ball miling energy tinggi. Jadi, jika Anda ingin mengambil output dari ball mill energi tinggi dan memberikan lebih dari struktur kristal, maka anil termal adalah proses yang sangat dianjurkan. Ini adalah contoh dari tabung nano yang dihasilkan oleh bola penggilingan. Di sini, Anda dapat melihat bahwa bola penggilingan mampu menghasilkan prekursor untuk tabung nano. Jadi, nucleations struktur yang ada, yang segilima, micropores serta nano partikel logam berukuran. Dan Anda dapat melihat karbon yang sedang dimasukkan sebagai sumber atom karbon. Sekarang, ketika Anda melihat proses ini yang menggabungkan penggilingan mekanik dan anil termal, sebenarnya sulit untuk memutuskan apakah Anda harus label sebagai proses top-down atau proses bottom-up. Karena penggilingan mekanik itu sendiri merupakan proses top-down jelas, tapi anil termal adalah di mana Anda pada dasarnya mengambil fragmen longgar yang telah dihasilkan oleh penggilingan mekanik dan ikatan mereka bersama-sama untuk menghasilkan struktur kristal. Jadi, itu adalah jenis kombinasi top-down dan bottom-up metodologi seperti teknik gel cair.

Dengan meningkatkan rpm, Anda dapat meningkatkan kinetika proses pengurangan ukuran, tetapi Anda benar-benar tidak bisa berbuat apa-apa ukuran akhir, yang lebih tergantung pada dinamika pabrik itu sendiri, seperti ukuran bola, yang ukuran ruangan. Dan pada akhirnya, proses pengurangan ukuran sendiri akan berhenti

setelah ukuran minimum tertentu tercapai; ini adalah perbandingan dengan ukuran ayat energi.

Dapat dilihat bahwa ada jumlah yang sama dari energi yang digunakan di berbagai intensitas penggilingan. Dengan kata lain, bahkan jika rpm dirupah asalkan energi input tetap sama, ukuran akhir yang dicapai juga tetap sama. Dan lagi, Anda dapat melihat bahwa proses pengurangan ukuran dengan bola penggilingan dasarnya menjadi energi yang tidak efisien setelah sekitar 5 mikron tercapai. Karena Anda dapat terus meningkatkan jumlah energi yang Anda masukan tanpa menyebabkan perubahan dalam ukuran rata-rata setelah kira-kira dalam kasus ini sekitar 50 kilowatt jam per kilogram.

Sebenarnya penggilingan adalah proses hemat energi sampai ukuran sekitar 5 mikron tercapai setelah sonication menjadi proses energi yang lebih efisien. Jadi, jika Anda mencoba untuk melakukan nano sintesis partikel oleh pengurangan ukuran, maka Anda mungkin lebih baik menggunakan kombinasi teknik. Jadi, untuk mendapatkan dari ukuran awal yang, katakanlah sekitar 70 sampai 100 mikron sampai sekitar 5 mikron, Anda harus menggunakan ball mill untuk mencapai ukuran itu dan setelah itu Anda mulai sonicating partikel untuk melakukan lebih pengurangan ukuran.

8. Sono-teknologi adalah mengacu pada intensifikasi cairan massal serta permukaan dan prosesor antarmuka oleh aksi gabungan dari kavitasi dan akustik streaming. Dan di sini, kita melihat skema dari apa gelembung kavitasi terlihat seperti hanya sebelum implodes. Kita melihat pola streaming yang akustik khas yang pada dasarnya searah di alam. Dan di atas, kita melihat kompresi yang khas dan siklus penghalusan dari gelombang suara, di sini tentu saja gelembung akan membentuk selama siklus penghalusan dan mereka akan runtuh selama siklus kompresi.

Ada pertumbuhan gelembung yang mengarah ke ukuran gelembung maksimum di mana titik, runtuhnya gelembung dalam kompresi siklus dan melepaskan energi sebagai gelombang kejut yang menyebar meskipun media cair dan baik dampak terhadap partikel yang tersuspensi dalam cairan atau dampak pada permukaan bahwa cairan berbatasan dengan. Dan energi ada ditransfer karena ini impaksi gelombang kejut menyebabkan perubahan fisik atau perubahan kimia terjadi dan kemudian, siklus ini terus berulang sebagai gelembung baru terbentuk dan memohon. Frekuensi adalah pemain utama dalam hal ini, karena Anda meningkatkan frekuensi medan akustik, intensitas kavitasi turun dengan cepat. Sebenarnya, ada lebih dari ketergantungan potong dadu f, kekuatan kavitasi menurun dengan frekuensi sebagai 1 atas kubus frekuensi.

Sonikasi memperkenalkan apa yang dimaksud dengan regangan kisi. Jadi, kristalinitas partikel dipertahankan, tidak menjadi amorf dengan eksposur diperpanjang tetapi ada perubahan halus tertentu dalam kristalinitas. Materi atau partikel yang mengalami sonication jangka panjang menjadi semakin bulat dengan berlalunya waktu. Hal ini juga menurunkan suhu sintering, sekarang merupakan keuntungan bila Anda menggunakan partikel-partikel ini dalam aplikasi yang membutuhkan mereka

untuk menjadi disinter dan kemampuan untuk menggunakan suhu yang lebih rendah sehingga energy lebih effisiens. Tentu, alasan bahwa suhu sintering lebih rendah karena proses sonikasi meningkatkan energi permukaan partikel. Jadi, kekompakan partikel sangat meningkat dengan proses sonikasi.Ini sebenarnya berlaku untuk semua metode top-down, tetapi dalam ultra sound khususnya karena impor seperti energi tinggi partikel fragmen mereka, meninggalkan residu energi yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan, misalnya, bola energi tinggi penggilingan. Jadi, partikel - partikel nano - yang disintesis menggunakan sono-fragmentasi atau dasarnya jauh lebih reaktif, lebih perekat, dan masih banyak lagi Selaras dengan proses dibandingkan dengan bahan nano yang dibuat dengan teknik lain. Berikut adalah beberapa contoh dari partikel yang diproduksi menggunakan sono-fragmentasi. Dan lagi, dari sudut pandang partikel karakterisasi pandang apa yang Anda lihat di sini semua data yang dihasilkan dengan menggunakan ukuran partikel analyzer. Dalam tabel ini, Anda dapat melihat bahwa dibandingkan dengan partikel un-diperlakukan alumina, seperti yang Anda mengekspos mereka untuk sonikasi selama berbagai periode waktu dan ini menggunakan daya cukup rendah suara ultra 88 watt, Anda dapat melihat bahwa ukuran rata-rata terus bergeser ke berbagai ukuran yang lebih kecil. Ini adalah sebuah gambaran dari partikel silika atau bubuk silika yang telah terkena USG dan Anda dapat melihat di sini bahwa sangat khas dengan model distribusi berkembang dari waktu ke waktu. Sonication yang akan tetap menjadi teknologi yang layak bahkan untuk partikel yang lebih kecil dari mikron.

Laju Frakmentasi

FR = laju fragmentasiE = daya ultrasonic inputv= Volume partikelVtot = total volume suspense

Ada dua mekanisme sono fragmentasi yaitu ada interaksi langsung gelembung dengan partikel dan juga interaksi antara dua partikel yang berdekatan yang dipercepat oleh ledakan gelembung. Fragmentasi terjadi karena runtuhnya gelembung serta tabrakan antar partikel.

Dilaboratorium Sono fragmentasi disimulasikan dengan mengambil gelas kimia dengan air suling, menaruh beberapa mikron partikel lapangan berukuran ke dalamnya dan mengalami USG yang dapat berupa tangki di bawah dipasang transduser atau bisa di bentuk tanduk atau nozzle melalui energi ultrasonik ditransmisikan.

Dengan menggunakan gelas dekantasi setup, hanya dapat mengambil lapisan atas dan mengeringkannya ke kolektor dan yang akan diperkaya dengan partikel nano sedangkan, bottom lapisan paling dapat didaur ulang, sehingga dapat menjadi ukuran yang jauh lebih kecil

Salah satu aplikasi utama teknologi sono tidak hanya untuk mensintesis nanopartikel, tetapi juga untuk memasukkan mereka ke polimer dan bahan lain untuk membuat bahan komposit. Jadi, cara kerjanya adalah dengan mengambil campuran ini bermacam ukuran partikel, sampel dikeringkan dan sampel dicampur siap untuk menjadi komposit. Prekursor polimer itu sendiri harus dibuat dengan melarutkan dalam pelarut. Kekuatan komposit nano ini juga dapat diuji dengan kavitasi erosi.