BAB I PENDAHULUAN 1.1
Latar Belakang Masalah Nanoteknologi terus mengalami perkembangan dengan semakin besar
manfaat yang dapat dihasilkan seperti untuk kepentingan medis (pengembangan peralatan baru untuk deteksi sel kanker), elektronik (media penyimpanan data dengan kapasitas penyimpanan yang besar dengan ukuran piranti yang kecil), energi (pembuatan sel surya yang lebih efisien), dan lain sebagainya. Nanoteknologi berarti ilmu pengetahuan dan rekayasa material dalam skala nanometer. Pada skala nanometer, material memiliki sifat fisika, kimia, dan biologi yang berbeda dari material ukuran besar (bulk). Hal yang lebih menarik adalah pada ukuran nanometer, sifat – sifat material tersebut dapat diubah-ubah dengan cara mengatur ukuran material, komposisi kimia, modifikasi permukaan, dan pengontrolan interaksi antarpartikel (Abdullah, 2009). Material yang berukuran kurang dari 100 nm disebut nanomaterial (Gubin, 2009). Contoh nanomaterial antara lain nanopartikel, nanorod, nanoribbon, nanosheet, nanotube, nanoporous. Salah satu jenis nanopartikel adalah nanopartikel magnetik. Studi mengenai nanopartikel magnetik mendapat perhatian besar dari kalangan peneliti nanoteknologi. Hal ini karena nanopartikel magnetik memiliki banyak kegunaan seperti untuk peralatan magnetik, drug delivery system, media penyimpanan data, magnetic resonance imaging (MRI) contrast enhancement, pemisahan sel magnetik, dan lain – lain (Gözüak dkk, 2009). Nanopartikel magnetik memiliki sifat kemagnetan yang berbeda dari material bulk. Sifat kemagnetan nanopartikel magnetik dipengaruhi oleh beberapa faktor antara lain komposisi kimia, derajat kecacatan kristal, ukuran partikel, morfologi, interaksi partikel dengan matrik sekitarnya, dan interaksi antar partikel terdekatnya. Nanopartikel magnetik juga bersifat dispersif dalam fluida biologi (biomolekul) (Pankhurst dkk, 2003).
1
2
Kelebihan lain dari nanopartikel magnetik adalah dapat bersifat superparamagnetik. Sifat superparamagnetik pada nanopartikel magnetik muncul ketika partikel tidak dapat mempertahankan magnetisasi akibat perubahan domain magnetiknya. Lebih lanjut sifat superparamagnetik menggambarkan keadaan dari partikel dengan domain magnetik tunggal yang menghasilkan supermoment sehingga energi termal cukup untuk melampaui energi barrier. Selanjutnya supermoment akan mengalami banyak rotasi sehingga menghasilkan momen magnet rata-rata bernilai nol. Oleh karena itu, nanopartikel magnetik memiliki kemudahan untuk dikontrol dengan medan magnet luar. Karakteristik seperti itulah yang membuat nanopartikel magnetik sangat potensial untuk diaplikasikan dalam bidang biomedis dan bioseparasi (Chung dkk, 2006). Salah satu contoh nanopartikel magnetik adalah spinel ferrite yang mempunyai struktur molekul MFe2O4, dengan M adalah ion logam dengan valensi +2 seperti Ni, Co, Mn, Zn, dan sebagainya. Spinel ferrite memiliki stuktur kristal jenis fcc (face-centered cubic) yang tertutup oleh atom oksigen, sedangkan M2+ dan Fe3+ menempati masing-masing sisi tetrahedral dan oktahedral. Zinc ferrite (ZnFe2O4) dalam beberapa tahun terakhir menjadi salah satu spinel ferrite yang menarik perhatian karena sifat kemagnetannya yang unik dibandingkan dengan spinel ferrite lainnya (Köseoğlu dkk, 2008). Material bulk zinc ferrite yang mempunyai struktur spinel normal bersifat paramagnetik pada suhu ruang dan menunjukkan sifat antiferomagnetik di bawah temperature Neel sekitar 10,5 K (Li dkk, 2007). Pada tahun 1961, Neel mengusulkan bahwa partikel antiferomagnetik berukuran kecil (skala nanometer) dapat memunculkan sifat superparamagnetik dan ferromagnetik lemah akibat spin-spin yang tidak berpasangan pada dua subkisi. Selain sifat tersebut zinc ferrite juga memiliki stabilitas kimia yang baik, kekerasan mekanik, koersivitas rendah, dan magnetisasi saturasi sedang, yang mana membuat zinc ferrite bagus untuk aplikasi sebagai material soft magnet dan material low-loss pada frekuensi tinggi (Naseri dkk, 2011). Berbagai metode telah banyak dikembangkan dalam sintesis nanopartikel magnetik zinc ferrite diantaranya metode kopresipitasi, metode sol gel, combustion method, micro-emulsion, hydrothermal, dan lain-lain. Diantara metode tersebut,
3
metode kopresipitasi merupakan metode yang cukup efektif dan relatif sederhana dibanding metode lainnya. Hal ini dikarenakan metode kopresipitasi memiliki proses yang sederhana dan mudah, dapat menggunakan suhu rendah (ruang) dan waktu yang dibutuhkan relatif lebih singkat dibanding metode lainnya. Namun, metode ini harus memperhatikan stoikiometri kimia yang terjadi pada saat reaksi pembentukan nanopartikel ZnFe2O4. Ukuran partikel merupakan hal utama dalam lingkup sintesis nanopartikel. Untuk mendapatkan ukuran yang seragam diperlukan modifikasi dan pengendalian terhadap distribusi ukurannya. Selain itu modifikasi juga berperan untuk menambah stabilitas kimia, dispersibilitas dan biokompatibilitas. Beberapa material yang sering digunakan untuk enkapsulasi nanopartikel adalah polyvyvil anylin (PVA), silika (SiO2), dan polyethylene glycol (PEG). Diantara material tersebut PEG memiliki keunggulan, yaitu sifatnya yang stabil, higroskopik, dan mudah mengikat material seperti pigmen. Oleh karena itu PEG sering digunakan untuk membungkus atau melapisi nanopartikel. PEG berperan sebagai template yang membungkus partikel sehingga tidak terbentuk agregat lebih lanjut. PEG menempel pada permukaan partikel dan menutupi ion positif yang bersangkutan untuk bergabung dan menghambat pertumbuhan partikel, sehingga diperoleh partikel dengan bentuk bulatan yang seragam. Pada penelitian ini nanopartikel magnetik ZnFe2O4 akan disintesis dengan metode kopresipitasi dan dilakukan enkapsulasi dengan menggunakan polyethylene glycol (PEG). PEG yang digunakan adalah jenis PEG-4000. Enkapsulasi dilakukan dengan tujuan agar menghasilkan ukuran butir nanopartikel yang seragam. Selain itu manfaat enkapsulasi dengan PEG adalah untuk menambah dispersibilitas, biokompatibilitas, dan stabilitas kimia pada nanopartikel magnetik tersebut. Besar konsentrasi PEG-4000 divariasi untuk mengetahui konsentrasi PEG-4000 yang sesuai. Sementara untuk mengetahui struktur dan morfologi partikel dilakukan karakterisasi dengan menggunakan X-ray Diffractometry (XRD) dan Transmission Electron Microscopy (TEM). Analisis gugus fungsi partikel juga dilakukan dengan Fourier Transform Infra-red Spectroscopy (FTIR), untuk mengetahui besar dan jenis vibrasi molekul pada sampel ZnFe2O4 murni dan PEG-4000 serta pengaruh
4
enkapsulasi ZnFe2O4 dengan PEG-4000 terhadap vibrasi molekul yang muncul, sehingga dapat dipelajari mekanisme pengikatan pada nanopartikel magnetik tersebut. 1.2
Rumusan Masalah Berdasarkan uraian sebelumnya, permasalahan yang perlu dikaji lebih
lanjut pada penelitian ini adalah 1. Bagaimana melakukan sintesis nanopartikel magnetik ZnFe2O4 dan melakukan enkapsulasi nanopartikel magnetik ZnFe2O4 dengan PEG-4000. 2. Bagaimana struktur kristal dan morfologi nanopartikel magnetik ZnFe2O4 sebelum dan setelah dilakukan enkapsulasi dengan PEG-4000. 3. Bagaimana hasil analisis gugus fungsi dan mekanisme bonding pada nanopartikel magnetik ZnFe2O4 sebelum dan sesudah dienkapsulasi oleh PEG4000. 1.3
Batasan Masalah Lingkup penelitian ini dibatasi pada kajian sintesis nanopartikel magnetik
ZnFe2O4 dengan metode kopresipitasi dan pengaruh enkapsulasi menggunakan PEG-4000 dengan variasi konsentrasi yaitu 80%, 75%, 66%, 50%, 33%, dan 25%. Sementara struktur kristal, sifat kemagnetan dan gugus fungsi nanopartikel dianalisis dengan menggunakan X-Ray Diffractrometry (XRD), Transmission Electron Microscopy (TEM), dan Fourier Transform Infra-red Spectroscopy (FTIR). 1.4
Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini adalah 1. Mendapatkan nanopartikel magnetik ZnFe2O4 yang disintesis dengan metode kopresipitasi dan melakukan enkapsulasi dengan PEG-4000 yang divariasi konsentrasinya. 2. Mempelajari struktur kristal dan morfologi nanopartikel magnetik ZnFe2O4 sebelum dan sesudah dilakukan enkapsulasi dengan PEG-4000.
5
3. Mempelajari mekanisme bonding (pengikatan) antar atom pada nanopartikel ZnFe2O4 sebelum dan setelah dilakukan enkapsulasi dengan PEG-4000 dengan menggunakan analisis sprektrum FTIR. 1.5
Manfaat Penelitian Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi mengenai
pengaruh enkapsulasi nanopartikel magnetik ZnFe2O4 oleh PEG-4000 terhadap struktur kristal, morfologi, dan gugus fungsi partikel yang disintesis dengan menggunakan metode kopresipitasi. Penelitian ini juga diharapkan dapat menjadi acuan bagi penelitian selanjutnya dalam mempelajari pembuatan nanopartikel magnetik dan enkapsulasinya dengan PEG-4000 di Laboratorium Fisika Material dan Instrumentasi, Fakultas MIPA, Universitas Gadjah Mada Yogyakarta. 1.6
Sistematika Penulisan Penulisan skripsi ini dibagi menjadi 6 bab yaitu: pendahuluan, tinjauan
pustaka, dasar teori, metode penelitian, hasil dan pembahasan, kesimpulan dan saran, serta daftar pustaka dan lampiran. BAB I merupakan pendahuluan yang berisi latar belakang masalah, rumusan masalah, dan batasan masalah. Dari batasan masalah disusunlah tujuan dari penelitian ini agar mendapat hasil dan manfaat yang diharapkan. BAB II merupakan tinjauan pustaka yang menjelaskan tentang penelitian sebelumnya yang berhubungan dengan sintesis nanopartikel magnetik ZnFe2O4 dan enkapsulasinya dengan menggunakan PEG-4000. BAB III merupakan landasan teori yang berisi teori-teori dasar yang berhubungan sintesis nanopartikel magnetik ZnFe2O4 dan enkapsulasinya dengan PEG-4000. BAB IV menjelaskan metode penelitian yang mencakup peralatan dan bahan yang digunakan serta langkah kerja yang dilakukan dalam proses sintesis nanopartikel magnetik ZnFe2O4 dan enkapsulasi dengan PEG-4000. BAB V menunjukkan hasil yang diperoleh dari penelitian yang dilakukan dan menjelaskannya dalam pembahasan.
6
BAB VI memberikan kesimpulan terhadap penelitian yang telah dilakukan dan saran untuk penelitian yang akan dilakukan di masa mendatang. Daftar pustaka mencantumkan seluruh pustaka yang diacu dan lampiran berisi dokumentasi, perhitungan, dan data – data yang diperoleh dalam penelitian.
