Logam tersusun dari atom – atom yang memiliki ikatan metalik. Setiap atom yang berikatan metalik akan membentuk satu kristal.  Kristal ini memiliki struktur dan orientasi sendiri bergantung sumbu terbentuknya kristal tersebut, dan setiap kristal yang berada dalam satu orientasi akan berkumpul membentuk satu butir. Struktur kristal dipengaruhi oleh jumlah elemen paduan yang mampu menyelinap di sela – sela ikatan atom, atau disekitar kristal satu dengan yang lain. Selain jumlah, ukuran pun penting untuk menentukan apakah elemen paduan tersebut menyelinap (interstisi), atau mengganti (substitusi). Atom itu tidak diam, tapi bergerak. Atom dalam setiap logam mampu bergerak dan berpindah tempat disebabkan oleh dua hal : Kondisi energi yang diberikan (diwakilkan oleh temperatur) dan komposisi elemen paduan (diwakilkan oleh persen berat unsur). Secara alamiah, suatu lingkungan yang padat akan cenderung mencari kestabilan dengan mengurangi kepadatannya menuju lingkungan lain yang kurang padat. Itu adalah proses difusi; dipengaruhi oleh gradien komposisi. Namun, untuk bisa berpindah, butuh energi. Kombinasi dari keduanya, maka kita akan mendapatkan ilmu pertama dari Ilmu dan Teknik Material : Diagram Fasa.

# Komponen Diagram Fasa

Diagram fasa dibuat oleh dua orang, yang bernama Elliot J.F. dan Benz M.G. pada tahun 1949 (pada tahun yang sama, Indonesia masih berkutat melawan NICA yang datang dari Belanda, belum sempat membuat hal seperti ini, sungguh menyedihkan). Diagram ini, tidak dibuat dalam semalam, tapi selama bertahun – tahun, dan mengalami penyempurnaan hingga tahun 1992 oleh springerlink. Komponen dari diagram fasa ada dua : komposisi karbon (sumbu X) dan temperatur (sumbu Y). Di tengah diagram tersebut ada “peta” dari jenis fasa yang terbentuk. Keterangan dari tulisan yang ada disana akan dijelaskan di bawah.

• Delta Iron (Delta Ferrite)

Delta Iron merupakan fasa yang terbentuk dan stabil pada temperatur sekitar 1500 derajat celcius. Pada daerah ini, karbon yang bisa menjadi interstisi didalam besi maksimal sekitar 0.09%. Tahu darimana? Garis mendatar. Delta, di sebelah kiri, memiliki garis kelarutan karbon (lebih dari 0.025% dan kurang dari 0.5%), garis mendatar di sebelah kanan, menunjukkan kelarutan karbon maksimal. Fasa delta ini cenderung lunak dan tidak stabil pada suhu kamar. Struktur kristal yang terbentuk adalah BCC. Gambar di sebelah kanan menunjukkan gambar struktur mikro Delta Iron yang di etching menggunakan teknik metalurgi khusus pada baja stainless steel.

• Ferrite (α)

Ferrite (α) merupakan fasa yang terbentuk pada temperatur sekitar 300-723 derajat celcius. Pada daerah ini, kelarutan karbon maksimalnya adalah 0,025% pada temperatur 725 derajat celcius, dan turun drastis menjadi 0% pada 0 derajat celcius. Fasa ini biasa terjadi bersamaan dengan cementite, membentuk pearlite pada pendinginan lambat. Fasa ini lunak, dan memberikan kemampuan bentuk pada logam. Gambar di sebelah kiri menunjukkan struktur fasa ferrite yang berwarna hitam, dan austenite yang berwarna putih. Hal ini menunjukkan bahwa, selain lunak, ferrite sendiri cenderung lebih mudah berkarat dibandingkan austenite.

• Cementite (Fe₃C)

Cementite merupakan fasa intermetalik yang terbentuk pada logam dengan kelarutan karbon maksimal 6,67 %. Kelarutan karbon yang tinggi memberikan sifat keras pada fasa ini, dan berkontribusi bersama dengan ferrite untuk menentukan kekuatan dari suatu logam. Gambar di sebelah kanan menunjukkan fasa cementite yang didapatkan dari proses pendinginan lambat baja cor putih.

• Pearlite (α + Fe₃C)

Pearlite merupakan satu fasa yang terbentuk dari gabungan dua fasa, Ferrite dan Cementite. Pearlite dianggap sebagai satu fasa sendiri, karena memberikan kontribusi sifat yang seragam. Seperti dijelaskan di atas, di dalam satu fasa, biasa terbentuk dalam satu butir. Namun, untuk Pearlite berbeda, karena ada dua fasa dalam satu butir. Karena butir berukuran lebih besar dari ukuran fasa Ferrite dan Cementite itu sendiri (ukuran terkecil yang bisa dikarakterisasi sebesar ukuran indentasi dari uji keras mikro vickers, sekitar 50 mikron), maka Pearlite, atas kesepakatan bersama para ahli material, digolongkan sebagai satu fasa dalam satu butir. Pearlite memiliki morfologi mirip seperti lapisan (lamellae) antara Ferrite (hitam) dan Cementite (putih). Pada gambar di sebelah kiri, bisa dilihat struktur mikro dari pearlite tersebut. Perhatikan juga pembesaran yang ada di sebelah kanan bawah, hal ini menunjukkan perbedaan gambar ini dengan gambar pada baja cor putih. Apa perbedaannya dengan baja cor putih, pada pembesaran yang sama? distribusi dari fasa Pearlite dan Cementite nya.

• Austenite (γ)

Gamma Iron merupakan fasa yang terbentuk pada terbentuk pada temperatur 1140 derajat celcius, dengan kelarutan karbon 2,08%. Kelarutan karbon akan turun menjadi o,08% pada 723 derajat celcius. Fasa ustenite terlihat jelas pada gambar di bagian Ferrite di atas, berwarna putih. Hal ini menunjukkan bahwa fasa ini memiliki ketahanan karat yang lebih baik daripada fasa yang lain.  Austenite merupakan fasa yang tidak stabil di temperatur kamar, sehingga dibutuhkan komposisi paduan lain yang akan berungsi sebagai penstabil fasa austenite pada temperatur kamar, contohnya adalah mangan (Mn).

• Eutectic, Hypo-eutectoid dan hyper-eutectoid

Seperti kata Human (manusia) dan Humanoid (seperti-manusia), maka daerah pendinginan pun memiliki dua garis mendatar : eutectoic dan eutectoid (eutectic-like). Kedua garis isotermal ini menunjukkan perubahan fasa yang berbeda : Eutectic [L -> γ+Fe₃C] dan Eutectoid [γ->α+Fe₃C]. Titik eutectoid terletak pada garis komposisi 0,8 % karbon, sedangkan titik eutectic terletak pada garis komposisi 4% karbon. Biasanya, baja yang terletak pada daerah eutectoid disebut baja karbon, sedangkan pada daerah 4% karbon disebut baja cor. Pada baja karbon, ada baja karbon yang kandungan karbonnya rendah (dibawah 0,8%) dan tinggi (diatas 0,8%). Dengan kesepakatan bersama, baja dengan kandungan karbon dibawah 0,8% disebut baja karbon rendah, medium, dan tinggi, sedangkan baja dengan kandungan karbon diatas 0,8% disebut baja saja (steel).

Artikel berikutnya akan membahas tentang bagaimana membaca diagram fasa. Silahkan ditunggu, dan tuliskan komentarnya untuk perbaikan, terima kasih =D

Bekasi, 8 Agustus 2011

Oka Mahendra

Secara umum, kondisi ketiga hubungan diatas erat hubungannya dengan komposisi kimia material dan temperaturnya (proses pembuatan ataupun pada saat penggunaan). Perbedaan yang terjadi dalam struktur mikro dan sifatnya, menunjukkan perubahan perubahan dalam komposisi kimia secara mikro. Perubahan ini hanya terjadi jika ada temperatur yang cukup untuk membuat atom bergerak dari satu tempat ke tempat lainnya.

-Apa itu Kristal?-

Kristal adalah atom – atom yang tersusun dengan ikatan logam/ionik berulang dalam rentang dan orientasi tertentu. Ketika satu kristal bertemu dengan kristal lain dengan orientasi yang berbeda, maka terbentuklah batas butir. Struktur mikro material adalah bagian dari ilmu material yang mempelajari tentang bentuk butir, batas butir, dan jenisnya. Alat bantu untuk memahami perubahan butir ini adalah diagram fasa, seperti gambar di bawah ini.

Jadi, dengan komposisi dan temperatur yang berbeda, kristal yang dihasilkan akan berbeda, struktur mikro berbeda, dan sifatnya akan berbeda. Sebagai contoh sederhana, Austenite memiliki nilai kekerasan yang rendah tapi memiliki ketahanan karat yang baik dibandingkan dengan ferrite. Pada tulisan berikutnya, akan dijelaskan lebih detail tentang hal ini.

-Apa saja sifat material itu?-

Sifat material, seperti sifat manusia, ada dua, pertama itu sifat fisik (yang dimiliki material tersebut tanpa diuji lebih dulu dan tidak mengubah identitas material tersebut) seperti berat jenis, hambatan listrik, dan konduktivitas panas. Kedua adalah sifat mekanik (yang hanya bisa diketahui setelah material diuji, dan mengubah identitas material tersebut), seperti kekuatan tarik dan kekerasan material. Secara umum, sifat mekanik dari material diwakilkan oleh kurva tegangan (Stress) vs regangan (Strain), dimana tegangan adalah jumlah gaya per luas penampang, sedangkan regangan adalah besarnya perubahan dimensi material. Kita akan bahas lebih mendalam tentang sifat mekanik dari material.

Secara mendasar, ada dua daerah dibawah kurva tegangan vs regangan yang dipelajari dalam ilmu material, khususnya sub-bagian logam ; daerah elastis dan daerah plastis, daerah pengerasan-regang, dan daerah necking.

• Daerah elastis

Daerah elastis adalah luas kurva di bawah titik sesaat sebelum perubahan bentuk pada material tersebut terjadi. Disini, titik tersebut dinamakan Yield Stress, atau titik luluh. Pada daerah ini, jika suatu material diberikan perubahan bentuk yang kecil, maka material itu akan kembali ke kondisi semula. Konvensi dari daerah ini adalah 0.001% regangan untuk logam. Di dalam daerah ini juga, terdapat Modulus of Elasticity, yang menjelaskan tentang ukuran keuletan dan kemampu-bentukan suatu material. MOE ini dihubungkan dengan persamaan matematis antara tegangan dan regangan tariknya.

Jika modulus elastisitasnya besar, maka tegangan yang dibutuhkan untuk membuat perubahan bentuk sangat besar, dan material tersebut cenderung getas, begitu pula sebaliknya.

• Daerah plastis

Daerah plastis adalah luas kurva di bawah titik Yield Stress hingga Fracture. Di dalam daerah ini, ada tiga fenomena yang terjadi : luluh (Yielding), pengerasan-regang (Strain-Hardening), dan pengecilan penampang setempat (Necking). Luluh artinya adalah perubahan bentuk yang permanen dan homogen di semua tempat, sedangkan Necking adalah perubahan bentuk permanen setempat.

-Apa yang bisa didapatkan dari belajar Ilmu dan Teknik Material?-

Selayang pandang yang dijelaskan disini hanya kulit terluar dari Ilmu dan Teknik Material. Pengembangan dari bidang material ini sampai saat ini sangat luas, beberapa bidang baru bahkan muncul dengan mempelajari material. Beberapa yang masih dikembangkan adalah tentang ilmu investigasi dan fraktografi, yaitu ilmu yang mempelajari bidang patahan pada suatu material dan menerka kira – kira penyebab terjadinya patahan tersebut. Ilmu ini sudah sering dimanfaatkan oleh asosiasi penerbangan Indonesia untuk menyelidiki penyebab jatuhnya berbagai pesawat di Indonesia.

Ilmu lainnya adalah perlakuan panas, atau Heat Treatment. Ilmu ini merupakan jantung – hatinya ilmu material, karena mempelajari ini berarti kita bisa mengerti diagram fasa dan berbagai kemungkinan perubahan sifat pada material tersebut. Beberapa rahasia dari perusahaan manufaktur berada pada kisaran Heat Treatment ini.

Ujung dari Ilmu Material ini, adalah kemampuan reverse engineering, yaitu kemampuan untuk memahami kondisi suatu material terkait dengan sifat-struktur-proses nya, dan mampu mengubahnya kembali dengan kemampuan yang ada saat ini. Kemampuan terakhir ini merupakan kemampuan vital yang harus dimiliki oleh seorang sarjana material, karena dengan reverse engineering lah, Indonesia mampu bersaing dengan bangsa lain yang telah mendahului kita dari segi riset nya. Semoga tulisan ini bisa membuat orang – orang awam jadi ingin mengetahui tentang ilmu material.

Bandung, 31 Juli 2011

Oka Mahendra Saputra

Radikal Bebas Image

Bahan polimer, seperti plastic, styrofoam, dan karet, adalah material yang sering kita pakai sehari-hari. Berbicara tentang pembuatan polimer maka salah satu aspek yang perlu dipahami ialah mengenai radikal bebas dan antioksidan.

Radikal bebas tidak saja mendapat perhatian di dunia ilmu bahan, tapi juga di dunia kedokteran dan farmasi. Radikal bebas adalah suatu molekul aktif yang dianggap ikut berperan pada timbulnya banyak penyakit yang dialami manusia. Contohnya pada penyakit arthritis (persendian) dan keracunan yang disebabkan oleh beberapa zat kimia termasuk alkohol. Selama bertahun-tahun pula para peneliti menduga ada hubungan antara molekul radikal dan kanker, atau antara radikal dengan proses penuaan. Demikian juga, pada waktu terjadi serangan jantung, yaitu ketika gumpalan darah menyumbat aliran dalam pembuluh darah. Yang lebih berbahaya ialah bukan berkurangnya pasokan oksigen ke dalam otot jantung saat pembuluh darah tersumbat, tapi terjadinya semburan radikal bebas mendadak yang dilepaskan pada saat aliran darah yang mengandung　banyak oksigen yang tadinya tersumbat itu kembali mengalir. Dengan pemahaman radikal bebas ini, para ahli kimia sekarang optimis untuk bisa mendesain obat yang bisa menangkap radikal-radikal bebas tersebut. Sebuah universitas pusat penelitian di Inggris telah didirikan hanya untuk meneliti pengaruh radikal bebas pada makhluk hidup dan pengembangan obat-obatannya.

Apakah yang dimaksud dengan radikal bebas? Salah satu contoh tipikal dan dianggap sebagai radikal bebas paling reaktif terhadap makhluk hidup namun paling sederhana ialah radikal hidroksil. Kita bisa membayangkan radikal hidroksil ini dari molekul air (H₂O). Molekul air terdiri dari dua atom hidrogen yang masing-masing berikatan dengan satu atom oksigen. Di dalam masing-masing ikatan itu terkandung sepasang elektron, satu berasal dari atom hidrogen dan satu lagi dari atom oksigen. Molekul air biasanya dapat terpisah menjadi dua partikel bermuatan listrik yaitu ion hidrogen yang bermuatan positif (H+) dan ion hidroksida yang bermuatan negatif (OH-). Dalam hal ini, pasangan elektron yang terkandung dalam ikatan tadi berpindah semuanya pada ion hidrosida sehingga bermuatan negatif.

Akan tetapi molekul air bisa juga terpisah dengan cara lain, tanpa ada muatan listrik. Caranya ialah pasangan elektron tadi bercerai, satu ikut pada atom hidrogen (H*) dan satu lagi ikut hidroksida yang membentuk radikal hidroksil HO*. Tanda asterisk menunjukkan elektron tunggal yang menandakan radikal. Radikal-radikal ini sangat reaktif karena elektron yang tidak berpasangan tadi cenderung ingin mencari pasangan lagi. Radikal hidroksil merupakan radikal yang paling membahayakan sel hidup. Untungnya, radikal hidroksil ini tidak terjadi di dalam makhluk hidup sebab ikatan untuk membentuk molekul air jauh lebih kuat. Namun, radiasi tinggi akan mampu memecah molekul air untuk memproduksi radikal hidroksil. Contohnya pada waktu kecelakaan nuklir di Chernobyl, radikal hidroksil dari air terjadi karena ada kebocoran radiasi. Radikal hidroksil di alam biasanya berasal dari molekul yang mudah pecah seperti hidrogen peroksida (HOOH).

Ikatan molekul yang kuat pada molekul air inilah yang menyebabkan radikal hidroksil sangat reaktif. Radikal hidroksil akan selalu mencoba mengajak setiap atom hidrogen yang ditemuinya untuk membentuk ikatan seperti molekul air. Jika atom hidrogen itu berasal dari molekul organ makhluk hidup yang penting, maka kerusakan organ itu akan terjadi.

Sekalipun baru-baru ini saja diketahui efek radikal ini terhadap makhluk hidup dan dunia pengobatan, para ahli kima sebenarnya telah mempelajarinya sejak tahun 1930an. Dua artikel yang ditulis oleh Donald Hey dan Alec Waters 74 tahun yang lalu telah menunjukkan pentingnya peran radikal bebas pada reaksi kimia. Mereka tidak memang meneliti radikal hidroksil, melainkan kelakuan radikal yang terbentuk dari senyawa organik, dengan kata lain dari senyawa karbon.

Istilah radikal sudah digunakan pada awal-awal dipelajari senyawa organik. Para ahli kimia menemukan gugusan yang terdiri dari karbon dan hidrogen terlihat mempunyai sifat yang sama seperti atom tunggal yang berdiri sendiri. Contohnya gugus methyl CH₃ bisa bergabung dengan atom dari chlorine untuk membentuk methyl chlorine seperti bergabungnya natrium dan chlorine ketika membentuk NaCl. Gugus methyl ini dinamakan radikal methyl.

Mulanya, para ahli kimia mentertawakan konsep keberadaan radikal sebagai molekul yang berdiri sendiri. Akan tetapi penjelasan Hey dan Waters telah menunjukkan peran radikal bebas dalam reaksi senyawa kimia. Tak lama kemudian, nyatalah bahwa radikal itu bisa bereaksi dengan berbagai cara. Radikal-radikal itu sendiri dapat saling bereaksi satu sama lain, atau dapat bereaksi dengan molekul stabil lain untuk membentuk molekul baru atau radikal baru. Radikal baru itu kemudian bisa dengan bebas bereaksi dengan molekul lain lagi, sehingga terjadilah suatu reaksi berantai. Banyak reaksi kimia dalam pembuatan polimer, seperti polystyrene atau polymethyl methacrylate(plexiglas) terjadi karena reaksi berantai tadi. Senyawa–senyawa polimer tersebut biasanya mengandung ikatan ganda dari pasangan atom karbon karena ikatan ganda ini mudah dituju oleh radikal-radikal.

Radikal yang diperlukan untuk memulai suatu reaksi kimia bisa dihasilkan dari molekul yang memiliki gugus peroksida, karena ikatannya tidak begitu kuat dan mudah dipecah dengan pemanasan. Radikal tersebut (ditulis Y*) menempel pada molekul monomer vinyl untuk membentuk radikal baru, dan berpaut dengan molekul vinyl lain dan seterusnya membangun rantai polimer yang panjang secara bertahap (Gb.1). Terakhir, rantai-rantai radikal bisa bergabung satu sama lain, dan elektron yang tadinya tidak berpasangan menjadi berpasangan sehingga reaksi berantai ini akhirnya terhenti.

Gb. 1 Proses pembuatan polimer dengan radikal bebas

Proses kimia seperti ini tiba-tiba menjadi penting ketika perang dunia ke II, pada saat Jepang menghentikan suplai karet alam dari Malaya. Amerika dan Eropa terpaksa mengembangkan polimer sintetis untuk menggantikan karet alam. Namun dengan cepat Jerman dan Soviet bisa berswasembada karet sintetis ini. Di Amerika, produksi polimer terbuat dari styrene dan butadiene ini bahkan bisa meningkat menjadi 5 kali daripada produksi karet alam di tahun 1945, dari awalnya tidak ada sama sekali di tahun 1941.

Reaksi yang melibatkan radikal juga bisa membuat karet hancur. Dalam hal ini, molekul oksigen di udara beraksi sebagai radikal (Gb.2). Oksigen bereaksi dengan molekul karet membentuk hidroperoksida (R₂CHOOH). Pada tahap proses ‘inisiasi’  satu  atom hidrogen dari ujung rantai polimer terlepas sehingga dihasilkan suatu radikal polimer. Molekul oksigen akan menempel pada radikal tersebut untuk membentuk radikal baru, yaitu hidroperoksida. Radikal baru ini lalu bereaksi dengan rantai polimer lain dan membentuk radikal polimer lagi, dan begitu seterusnya (dinamakan tahap ‘propagasi’).

Gb. 2 Proses degradasi oleh oksigen pada karet alam

Reaksi yang mirip juga terjadi secara cepat pada lapisan cat minyak yang tengah mengering. Pada tahap awal pengeringan, berat dari lapisan cat itu akan meningkat. Hal ini disebabkan molekul cat menyerap oksigen dari udara dan membentuk hidroperoksida organik.  Reaksi awal dengan oksigen ini mudah terjadi karena lemahnya ikatan antara karbon hidrogen pada cat minyak. Namun radikal peroksi yang terjadi tidak sereaktif radikal hidroksil. Radikal ini akan bereaksi secara selektif mencari satu lokasi dari molekul lain untuk bergabung yang ikatannya setara dengan ikatan antara karbon dan hidrogen tadi.

Dengan memahami peran reaksi radikal dari cat ini, John Mills di London National Gallery Lab, telah mengembangkan teknik analisa yang memungkinkan sejarahwan bisa menyelidiki media cat yang digunakan para pelukis jaman dahulu. Reaksi kimia sederhana menggunakan unsur cat yang didapat ketika lukisan dibersihkan, bisa memberikan tanda tangan yang menunjukkan apakah medium cat dibuat dari minyak tumbuhan, atau turunan dari telur. Metoda ini juga dapat membedakan medium minyak biji rami, walnut, atau poppyseed seperti yang sering digunakan oleh para seniman Perancis abad 19-an.

Minyak pelumas sebaliknya, harus bisa stabil dalam waktu lama. Minyak ini tidak boleh memiliki ikatan karbon-hidrogen yang lemah yang bisa memulai reaksi radikal seperti terkandung dalam cat minyak di atas. Para kimiawan biasanya menambahkan “antioksidan” ke dalam  minyak pelumas agar stabil. Jika ada radikal peroksi yang timbul dalam minyak, maka akan ditarik oleh antioksidan itu. Hal ini untuk menghindari terjadinya proses radikal berantai dan merusak molekul minyak lainnya. Ada suatu cara yang telah dipatenkan, meskipun agak mahal, untuk mengurangi kepekaan terhadap radikal, yaitu dengan memperkuat ikatan karbon-hidrogen melalui pergantian atom hidrogen oleh isotop berat yaitu deuterium. Namun ongkos yang mahal dari metoda ini bisa ditolerir jika pelumas ini digunakan pada produk yang mahal, contohnya untuk jam kualitas tinggi, yang harus tahan lama tanpa perlu dibersihkan.

Minyak goreng yang kita konsumsi pun seharusnya tidak mengandung radikal bebas. Minyak jelantah ialah minyak yang sudah sering dipanaskan dalam suhu tinggi sehingga banyak terkandung radikal bebas. Lebih-lebih kalau sudah berubah warna. Ditengarai radikal bebas ini bisa mengakibatkan kanker dalam tubuh manusia.

Namun, sistem biologi membuat antioksidan sendiri untuk membatasi kerusakan akibat oksidasi. Salah satu dari antioksidan penting ialah tocopherol, atau vitamin E. Antioksidan ini paling mudah larut dalam larutan lemak pada membran sel. Sedangkan antioksidan yang paling mudah larut dalam air ialah vitamin C. Maka tidak heran kalau para peneliti yang mempelajari efek radikal dan biologi, memakan suplemen vitamin E dan vitamin C dalam diet mereka.

Disadur dari tulisan John Perkins, A Radical View of Chemistry, New Scientist, August 1988. hal. 41-44.

Akan tetapi, masih banyak permasalahan teknis sel surya yang perlu dikaji lebih mendalam. Salah satu bidang kajian yang menarik banyak perhatian adalah mengenai energy loss (kehilangan energi) dalam panel sel surya. Salah satu sumber energy loss yang berkontribusi terhadap penurunan efisiensi yang cukup signifikan pada sel surya adalah refleksi (pemantulan). Kehilangan energi akibat refleksi cahaya datang ini dapat diatasi dengan menggunakan pelapisan Anti Reflection Coating (ARC) ataupun dengan memodifikasi tekstur permukaan sel surya. Pelapisan ARC mengurangi reflektansi hanya untuk rentang panjang gelombang tertentu, sedangkan teksturisasi permukaan dapat mengurangi reflektansi total dari range panjang gelombang (l) yang pendek hingga l yang panjang. Prinsip teksturisasi permukaan adalah menyebabkan cahaya yang datang dipantulkan berkali-kali sehingga memperbesar kesempatan foton (partikel cahaya) untuk masuk ke dalam material tersebut.

Beberapa metoda yang dilakukan untuk teksturisasi permukaan antara lain dengan menggunakan larutan alkalin, wet etching berbasis asam, ataupun teknik RIE (Reactive Ion Etching) [1-3]. Akan tetapi, karena wet etching memiliki selektivitas etching yang kurang memadai dan teknik RIE menyebabkan kenaikan biaya (cost) yang signifikan; Ibottoson, Saito, dan Momma [4-6] mengusulkan teknik dry etching menggunakan gas klorin trifluoride (ClF₃). Teknik ini dapat dilakukan pada suhu ruang, mudah dikontrol, tidak menyebabkan kerusakan pada substrat serta relatif ramah lingkungan. Dalam 10 tahun terakhir ini, gas ClF₃ juga telah banyak digunakan dalam pembersihan aparatus CVD (Chemical Vapor Deposition) yang terkait dengan material silikon.

Saito [7] telah melakukan dry etching ClF₃ ini pada substrat silikon kristal. Hasil dari dry etching ini adalah substrat dengan tekstur permukaan menyerupai tekstur permukaan sarang tawon seperti ditunjukkan dari hasil SEM (Scanning Electron Microscopy) pada gambar 1. Dengan menggunakan pengukuran spektrometer, didapati bahwa permukaan tekstur sarang tawon ini ternyata mengurangi reflektansi secara signifikan dibanding tekstur permukaan rata (gambar 2). Substrat yang telah bertekstur sarang tawon ini kemudian dibentuk sambungan p-n melalui difusi fosfor secara termal pada suhu 1000°C. Lapisan aluminium juga dideposisi pada permukaan substrat untuk membentuk elektroda-elektroda sehingga substrat dapat berfungsi sebagai sel surya. Sel surya yang telah difabrikasi ini kemudian juga diukur spektrum reflektansinya dan dibandingkan dengan ketika masih berupa substrat (gambar 2).

Gambar 1. Hasil SEM dari tekstur permukaan substrat single-crystallin, dengan waktu etching (a) 17 menit dan (b) 20 menit.

Beberapa parameter fisis lainnya yang juga diukur oleh Saito [7] yaitu respon spektral dan intensitas cahaya yang diserap. Respon spektral diperoleh dari perbandingan jumlah foton yang menumbuk sel surya tersebut dengan arus-foton yang dihasilkan. Kedua parameter fisis ini dibandingkan untuk sel surya bertekstur rata dengan sel surya tekstur sarang tawon yang ditunjukkan oleh gambar 3. Dari gambar 3a dan 3b, tampak bahwa efisiensi kuantum maupun intensitas cahaya terserap pada sel surya bertekstur sarang tawon lebih tinggi dibanding sel surya tanpa tekstur (rata).

Gambar 2. Spektra Reflektansi yang terukur dari substrat single crystallin tanpa tekstur (rata) dan bertekstur sarang tawon (waktu etching 17 menit).

Karakteristik arus-tegangan untuk kedua jenis tekstur sel surya ini juga diukur di bawah penyinaran AM 1.5 dan hasilnya disarikan pada tabel 1 (Saito [7]). Dari tabel 1 tampak bahwa pada sel surya tekstur sarang tawon terjadi peningkatan rapat arus short-circuit (J_sc) yang cukup signifikan, sehingga terjadi juga peningkatan Fill Factor (FF) dan efisiensi (h) sel surya tersebut.

Dengan demikian, teksturisasi sarang tawon terhadap permukaan sel surya memberikan banyak pengaruh positif dalam parameter-parameter fisis yang terkait. Penurunan reflektansi cahaya datang; peningkatan efisiensi kuantum dan intensitas cahaya yang diserap; hingga peningkatan J_sc dan FF merupakan beberapa diantaranya. Efisiensi sel surya secara keseluruhan juga mengalami peningkatan yang sangat signifikan. Efisiensi sel surya ini dapat ditingkatkan lebih jauh lagi dengan melakukan deposisi lapisan anti-refleksi di atas tekstur sarang tawon tersebut.

Gambar 3. Rasio respon spektral (a) dan rasio intensitas cahaya diserap (b) pada sel surya bertekstur sarang tawon dengan sel surya tanpa tekstur.

Tabel 1: Nilai karakteristik sel surya silikon single crystallin di bawah penyinaran AM 1.5

Referensi

[1] Zhao J, Wang A, Green MA. Proceedings of the Second World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion, 1998.

[2] Shultz O, Emanuel G, Glunz SW, Willeke GP. Proceedings of the Third World Conference on Photovoltaic Solar Energy Conversion, 2003, pp. 1360-1363.

[3] Manshanden P, Burgers AR, Nositschuka WA, Voigt O, Weeber AW. Conference Record of 29^th IEEE Photovoltaic Specialists Conference, 2002, pp. 324-327.

[4] Ibottoson DE, Mucha JA, Flamm DL, Cook JM. J. Appl. Phys. 56 (1984) 2939-2942.

[5] Saito Y, Yamaoka O, Yoshida A. J. Vac. Sci. Technol. B9 (1991) 2503-2506.

[6] Momma T, Ishizaki Y, Saito Y. IEICE Trans. C-II J80-C-II (1997) 412-413 (in Japanese)

[7] Saito Y, Kosuge T. Solar Energy Materials & Solar Cells 91 (2007) 1800-1804.

Total Hip Replacement

Permintaan dan penggunaan biomaterial berbasis logam meningkat tajam akhir-akhir ini. Perubahan piramida umur penduduk dunia dengan meningkatnya jumlah penduduk dunia yang lanjut usia serta tingginya angka kecelakaan baik darat, laut dan udara merupakan sebab utama peningkatan tersebut. Sebagai gambaran, permintaan dan penggunaan biomaterial dari logam mencapai US$ 212,8 juta pada tahun 2008, bahkan penggunaan biomaterial dari logam sebagai pengganti tulang pangkal paha akan mencapai jumlah 272.000 buah pada tahun 2030. Kebanyakan dari biomaterial yang digunakan untuk gigi dan pengganti tulang atau ortopedik.  Biomaterial sebagai pengganti tulang atau gigi ini bersifat permanen sehingga logam dan alloy yang mempunyai ketahanan korosi yang tinggi yang bisa digunakan.

Syarat utama biomaterial

Syarat yang paling dasar adalah sifat anti karat yang tinggi. Tapi, bukan itu yang paling utama. Sifat yang utama yang harus dipunyai oleh biomaterial berbasis logam adalah kesuaian dengan sel hidup (excellent biocompatibility), karena biomaterial ditanam dalam tubuh atau mulut serta berhubungan langsung dengan sel hidup tubuh. Logam tersebut tidak boleh melepaskan ion-ion yang bersifat racun atau karsinogen bagi sel dan tubuh manusia. Bahkan akhir-akhir ini penggunaan baja tahan karat jenis 304 (campuran logam Fe-18%Cr-8%Ni) berkurang untuk penduduk berkulit putih karena ion nikel yang lepas dari baja  tersebut dapat menyebabkan alergi.

Pengembangan jenis logam baru untuk kegunaan biomaterial harus melalui uji biocompatibility yang sangat ketat. Uji In-Vitro dan In-Vivo harus dilaksanakan dan memang ada data sah yang menyatakan bahwa bahan tersebut tidak berbahaya untuk sel dan tubuh manusia. Oleh karena syarat serta ujian yang sangat ketat, jenis-jenis biomaterial yang sudah layak untuk komersialisasi sangat terbatas seperti biomaterial dari besi, cobalt atau titanium.

Baja Tahan Karat

Contoh penggunaan biomaterial

Baja tahan karat merupakan biomaterial generasi awal karena sifat ketahanan karat, mudah diproduksi dan harganya yang murah. Tidak semua jenis baja tahan karat dapat digunakan sebagai biomaterial, biasanya baja tahan karat yang mempunyai matrik austenite saja yang digunakan seperti baja tahan karat 304 dan 316. Baja tahan karat 316 merupakan derivasi baja tahan karat 304 (Fe-18%Cr-8%Ni) dengan penambahan maksimal 2% Mo. Bahan ini tidak terlalu baik untuk biomaterial karena mudah terserang korosi yang sifatnya lokal seperti korosi batas butir atau pelubangan (pitting). Ditambah lagi, adanya keluhan dari pasien dari bangsa kulit putih yang merupakan efek samping akibat pelepasan ion nikel dari baja tersebut. Dalam dekade terakhir, ada penemuan yang berusaha untuk memperbaiki sifat baja tahan karat jenis austenit. Penggunaan unsur nitrogen (N) menunjukan bahwa jumlah nikel dapat dikurangi bahkan dihilangkan tanpa mengurangi kestabilan fasa austenit. Penggunaan nitrogen ini ternyata meningkatkan ketahanan korosi baja tersebut. Tapi, baja tahan karat ini masih dalam proses pengembangan.

Alloy Co-Cr

Komposisi campuran ini adalah Co-(26~30)%Cr-(5~7)%Mo. Ada dua jenis campuran logam ini yang digunakan sebagai biomaterial yaitu campuran logam Co-Cr cor dan campuran logam Co-Cr tempaan. Ciri utama campuran logam Co-Cr cor adalah mempunyai kandungan karbon yang tinggi. Kandungan ini menyebabkan pembentukan karbida (M₂₃C₆) yang besar sehingga campuran logam ini mempunyai ketahanan haus yang lebih baik daripada campuran logam Co-Cr tempaan. Campuran logam ini banyak digunakan untuk aplikasi gigi palsu.

Sebaliknya, campuran logam Co-Cr tempaan mempunyai kandungan karbon yang rendah. Tetapi, ini bukan berarti biomaterial ini mempunyai sifat fisika atau sifat mekanik yang rendah. Campuran logam ini melalui proses pemanasan serta deformasi baik suhu tinggi dan suhu kamar maka mikrostrukturnya lebih kecil dan seragam. Sifat mekanik bahan ini lebih baik seperti kekuatan tarikan, pemanjangan kecuali sifat ketahanan haus.

Titanium

Mungkin biomaterial ini yang penggunaannya meningkat tajam. Bahan ini mempunyai kekuatan yang tinggi, ringan dan ketahanan korosi yang baik. Bahkan, sifat ketahanan korosi ini lebih baik bila dibandingkan dengan campuran logam Co-Cr apalagi dengan baja tahan karat. Lapisan titanium oksida tipis yang melapisi bahan ini membuat korosi pada bahan ini tidak dapat berlanjut lagi. Pada awal, titanium murni (CP Ti; commercially pure Ti) dan campuran logam Ti-6%Al-4%V banyak digunakan. Tetapi, kedua bahan ini mempunyai kelemahan untuk digunakan sebagai biomaterial. Titanium murni mempunyai struktur Kristal HCP (Hexagonal Close-Packed) sehingga mempunyai modulus Young yang tinggi (120GPa) padahal modulus Young tulang hanya 30GPa. Ini akan mengakibatkan stress shielding dan tulang akan rusak serta kerusakan pada tulang pangkal paha yang palsu. Selain itu, campuran logam Ti-6%Al-4%V juga masih mempunyai struktur HCP sehingga tulang akan mendapatkan masalah. Di tambah lagi, ion Al dan ion V ditemukan berbahaya untuk sel dan sistem syaraf manusia. Untuk mengatasi masalah di atas, banyak campuran logam baru dibuat meskipun menggunakan unsur-unsur yang susah didapat. Campuran logam yang telah dikembangkan serta digunakan adalah campuran logam Ti–29Nb–13Ta–4.6Zr, campuran logam Ti–12Mo–6Zr–2Fe (TMZF), campuran logam Ti–35Nb–7Zr–5Ta(TiOsteum). Campuran logam ini telah dikembangkan secara bersamaan di Amerika Serikat dan Jepang. Konsep pengembangan campuran logam in adalah peningkatan stabilitas fasa BCC (Body Centered Cubic) pada campuran logam tersebut baik suhu tinggi dan suhu kamar. Dengan stabilnya fasa BCC maka modulus Young biomaterial dari titanium akan mendekati modulus Young tulang.

Penutup

Penggunaan biomaterial berbasis logam akan terus meningkat karena keadaan penduduk di dunia. Hal yang paling penting adalah proses pengembangan dan riset terhadap campuran logam-campuran logam baru berdasarkan kebutuhan dan sifat yang diperlukan. Kemudian, pengawasan serta uji coba terutama biocompatibility sangat perlu diperhatikan karena biomaterial tersebut akan ditanam dan digunakan dalam tubuh manusia yang sangat rentan terhadap racun dan ion-ion yang dikeluarkan oleh logam tersebut.

Bersamaan dengan itu, di beberapa negara yang telah mengembangkan teknologi ini telah mulai menelaah dampak lingkungan teknologi nano. Mengingat masih belum ada kejelasan seberapa besar resiko penggunaan teknologi nano ini terhadap lingkungan maupun manusia penggunanya, meskipun diperkirakan produksi teknologi ini di dunia tidak melebihi 1 ton [1]. Tambah lagi belum ada kejelasan aturan main dan peraturan untuk mengkalkulasi dampak lingkungan teknologi nano ini.

Tulisan ini mencoba mengulas resiko paparan produk penelitian dan pengembangan teknologi nano dalam bentuk material nano khususnya terhadap manusia. Dengan memperhatikan kedua sisi teknologi nano antara manfaat dan potensi resiko, maka siapapun pelaku litbang, diharapkan akan mampu mengelola teknologi ini secara berkelanjutan dan paripurna. Gbr. 1 memperlihatkan bahwa proses pencegahan dampak lingkungan yang diakibatkan oleh teknologi selayaknya dilakukan pada tahapan yang dini, yaitu tahap litbang. Dengan penguasaan pengetahuan di tahap awal diharapkan akan memberikan arah yang lebih aman dan ramah lingkungan pada proses selanjutnya. Dengan demikian permasalahan yang berpotensi muncul pada tahap produksi, penggunaan dan pembuangan dapat ditekan.

1. Material nano

Material nano adalah material yang memiliki komponen terstruktur dengan salah satu dimensinya berukuran kurang dari 100 nm. Pengertian ini dapat dikategorikan lagi menurut bentuk akhir material tersebut. Dalam hal ini, lapisan tipis atau pelapis permukaan, kawat dan tabung nano digolongkan sebagai material nano dua dimensi. Sedangkan, presipitat, endapan dan koloid dan partikel kuantum (partikel sangat kecil semikonduktor) termasuk dalam material nano tiga dimensi.

Dengan makin kecilnya ukuran material, terdapat dua faktor yang menyebabkan sifat material nano berbeda dengan material ukuran lainnya, yaitu: peningkatan luas permukaan dan efek kuantum. Populasi atom pada permukaan dibandingkan di dalam partikel pun mengalami perubahan. Sebagai misal, sebuah partikel dengan ukuran 30 nm maka populasi atom-atom yang berada di permukaan adalah 5%, jika partikel berukuran 10 nm maka perbandingan tersebut menjadi 20% dan jika suatu partikel berukuran 3 nm maka 50% dari atom-atomnya berada di permukaan. Hal ini menggambarkan bahwa dengan makin kecilnya ukuran sebuah partikel, luas permukaan per satuan massa akan meningkat.

Mengingat pertumbuhan partikel dan reaksi kimia umumnya berada di permukaan partikel, dengan makin meningkatnya luas permukaan per satuan massa maka reaktivitas partikel tersebut juga akan bertambah besar dibandingkan partikel sejenis yang berukuran lebih besar. Efek kuantum mulai berperan besar dalam mempengaruhi sifat material seiiring dengan mengecilnya ukuran partikel ke skala nano. Beberapa sifat material yang dipengaruhi efek kuantum antara lain adalah sifat optik, kelistrikan dan magnetik. Perubahan sifat dan perilaku material akibat efek kuantum ini dimanfaatkan dalam penggunaan material nano untuk semikonduktor (quantum dot) atau opto elektronika (quantum well laser).

Material nano dapat dibedakan menurut proses pembentukannya, yaitu material nano alami dan buatan manusia atau dihasilkan sebagai bagian proses yang dilakukan manusia (antropogenik), seperti diperlihatkan Tabel 1. Dari jenis material yang diperlihatkan, umumnya interaksi manusia dengan partikel nano tidak hanya didominasi penduduk kota besar. Bahkan penduduk pedesaan dan pegunungan pun bisa saja berinteraksi dengan partikel nano. Proses interaksi atau kontak antara partikel nano dengan manusia menjadi perhatian para ilmuwan saat ini dalam kaitan resiko akibat paparan partikel nano. Seperti dikemukakan pada bagian sebelumnya, reaktivitas partikel makin meningkat dengan makin kecilnya ukuran partikel pada skala nano. Dengan demikian rute paparan, potensi akumulasi partikel nano pada tubuh manusia melalui bagian tubuh yang berhubungan langsung dengan lingkungan menjadi perhatian akan potensi toksik material nano.

Seberapa besar potensi bahaya material nano dapat diukur melalui seberapa toksik atau beracunnya material tersebut. Yang tentu menjadi pertanyaan adalah apakah ukuran material pada skala nano berpengaruh terhadap tingkat toksisitasnya. Beberapa kajian menunjukkan bahwa tingkat keberacunan partikel nano ditentukan oleh beberapa faktor berikut:

–         total luas permukaan partikel terhadap organ tujuan;

–         reaktivitas kimia permukaan, termasuk komponen yang terdapat di permukaan seperti logam dan pelapis serta kemampuannya terlibat dalam reaksi yang melepaskan radikal bebas;

–         dimensi fisika partikel yang memungkinkan terpenetrasi dalam organ atau sel dan menyulitkan pembuangannya;

–         kelarutannya, seperti garam-garaman yang mudah terlarut sebelum terjadi reaksi beracun

(Download artikel selengkapnya)