BAB II KAJIAN PUSTAKA
2.1
Nanosains dan Nanoteknologi
Nanosains secara umum didefinisikan sebagai studi tentang fenomena
dalam skala 1 - 100 nm. Nanoteknologi adalah kemampuan untuk membuat, mengontrol dan memanipulasi objek dengan tujuan untuk memproduksi material
baru yang memiliki sifat tertentu (fungsionalisasi bahan) (John A Blackman, 2000). Nanoteknologi adalah teknologi yang sedang berkembang di mana struktur atau ukuran materi penyusunnya berada pada skala nanometer untuk menghasilkan sebuah material baru dengan sifat yang unik. Skala nanometer itu sendiri memiliki rentang dari 1 – 100 nm (Jeremy Ramsden, 2009). 2.2
Nanopartikel
Nanopartikel merupakan istilah yang digunakan untuk menggambarkan sebuah partikel dengan ukuran kisaran antara 1 sampai 100 nm. Nanopartikel dapat dibuat dari bahan alam kimia yang beragam, logam-logam yang paling umum, seperti logam, oksida logam dan organik atau biologis. Nanopartikel juga berfungsi sebagai bahan dasar untuk berbagai aplikasi nanoteknologi (R. Nagarajan, 2008). 2.2.1 Nanopartikel Perak
Perak
memiliki konduktivitas sangat
baik
dan efek antimikroba.
Nanopartikel perak memiliki permukaan yang lebih besar dengan penggunaan bahan yang relatif sedikit. Serbuk nanopartikel perak memiliki diameter partikel 10 – 90 mm, dapat digunakan sebagai bahan biosida “US Food”, tinta konduktif
4
transparan dan pasta serta produk dari berbagai industri yang membutuhkan sifat antimikroba (Louis Theodore, 2006).
Nanopartikel perak memiliki aplikasi dalam tinta konduktif, katalisis,
fotografi film, tebal pasta dan perekat untuk berbagai komponen elektronik (Ran
SS, 2000).
2.2.2 Nanopartikel Tembaga Di rumah sakit, paduan tembaga, digunakan sebagai pegangan pintu dan
permukaan lainnya. Tembaga dan seng amalgam telah terbukti bermanfaat dalam bidang kedokteran gigi (C. E. Santo dkk, 2008) sementara garamnya dimasukkan ke dalam obat kumur untuk pengobatan radang gusi (J. J. Morrier dkk, 1998) Oksida tembaga (CuO) adalah semikonduktor senyawa dengan band gap sempit dan digunakan untuk aplikasi fotokonduktif dan fotothermal (A. E. Rakhshni, 1986). Namun, hingga saat ini, informasi mengenai persiapan dan karakterisasi nanokristalin oksida tembaga relatif lebih sedikit jika dibandingkan dengan beberapa oksida logam transisi lain seperti oksida seng, titanium dioksida, oksida timah dan oksida besi (Hui Wang dkk, 2002).
2.2.3 Nanopartikel Oksida Seng
Oksida seng (ZnO) dapat berperan sebagai fungisida. Seperti halnya dengan oksida logam lainnya, nanopartikel oksida seng dibedakan dari partikel yang lebih besar dengan luas permukaan meningkat dan transparansi terhadap cahaya tampak, membuat mereka dasarnya tidak terlihat ketika ditambahkan ke matriks lainnya. Nanopartikel oksida seng dapat menyerap baik UV A maupun radiasi UV B, sehingga dapat memberikan perlindungan tabir surya dalam kosmetik. Sementara itu, nanopartikel ZnO juga digunakan dalam keramik dan pengolahan karet, di mana ZnO berfungsi untuk meningkatkan ketangguhan elastomer dan ketahanan abrasi (Louis Theodore, 2006).
Laporan Tugas Akhir
5
2.3
Nanokomposit
Nanokomposit memiliki daya tarik dimana komponen yang dicampur dalam
nano, sehingga bahan yang dihasilkan memiliki sifat yang lebih unggul. Jika skala
dibandingkan dengan mikrokomposit konvensional dengan kondisi operasi yang sama, nanokomposit dapat disintesis menggunakan teknik sederhana dan murah (Daniel Minoli, 2006).
2.4 Serat Nano
Serat nano (nanofiber) didefinisikan sebagai fiber atau serat dengan diameter kurang dari 1000 nanometer atau kurang dari satu mikron (Anonim, 2012). Serat nano yang digunakan berasal dari serat poliviniliden difluorida (PVDF) yang mempunyai rumus struktur sebagai berikut gambar 2.1.
Nama IUPAC poli-1 ,1-difluoroethene Molekul rumus
- (C 2 H 2 F 2) n -
Penampilan
keputihan atau tembus padat
Kelarutan dalam air tidak larut dalam air Gambar 2.1 Struktur Kimia PVDF Sumber : Wikipedia
2.5
Serat Nanokomposit
Serat nanokomposit merupakan penggabungan antara serat nano (fiber) dengan nanokomposit. Pembuatan serat nanokomposit dapat dilakukan dengan
Laporan Tugas Akhir
6
dua cara yaitu pencelupan serat nano dalam nanokomposit dan disintesis bersamaan dengan nanokomposit. Umumnya kedua cara tersebut dinamakan
dengan pelapisan (coating). Pelapisan bertujuan untuk aplikasi serat nano dalam medis seperti masker, penutup luka (plester) dan lain-lain. bidang
2.6
Karakterisasi Serat Nanokomposit
Karakterisasi serat nanokomposit dilakukan dengan bantuan beberapa
instrumen analisis, diantaranya :
2.6.1 Spektrofotometer UltraViolet-Visible (UV-Vis)
Spektrofotometer UV - Vis biasanya beroperasi dari 160-780 nm (Skoog, 1971). Pengukuran UV - Vis adalah pengukuran penyerapan yang banyak digunakan untuk identifikasi dan penentuan senyawa anorganik yang berbeda dan spesies organik. UV-Vis merupakan metode penyerapan molekul yang paling banyak digunakan dari semua teknik analisis kuantitatif kimia, laboratorium lingkungan, forensik dan klinis di seluruh dunia (Skoog, 2007). Komponen – komponen utama dalam spektrofotometer UV-Vis meliputi : a. Sumber radiasi atau cahaya Sebagai sumber radiasi ultra violet biasanya digunakan lampu hidrogen (H 2 ) atau lampu deuterium (D 2 ) yang terdiri dari sepasang elektroda dalam tabung gas yang diisi gas hidrogen atau gas deuterium pada tekanan rendah (Harvey, 2000). Tabel 2.1 Sumber Radiasi Spektrofotometer UV - Visible
Sumber Lampu Lampu H 2 dan D 2 Lampu tungsten
Daerah Panjang Gelombang 160 – 380 nm 320 – 2400 nm
Kegunaan Absorpsi molekul UV Absorpsi molekul Vis
Sumber: Harvey,2000
b. Monokromator, dalam spektrofotometer radiasi yang polikromatis ini harus diubah menjadi radiasi monokromatis. Alat yang digunakan untuk mengurai Laporan Tugas Akhir
radiasi
polikromatis
menjadi
monokromatis
disebut 7
monokromator, yaitu serangkaian alat optik yang terdiri dari celah (slit),
lensa, cermin dan prisma atau grating.
c. Tempat sampel (kuvet), sampel yang akan dianalisis biasanya ditempatkan dalam sel atau kuvet. Pada pengukuran di daerah tampak, dapat digunakan kuvet kaca, tetapi untuk pengukuran pada daerah ultra
violet maka harus menggunakan kuvet kuarsa karena kuvet kaca pada
daerah ini tidak tembus cahaya. Umumnya tebal kuvet yang digunakan
10 mm, tetapi yang lebih kecil atau yang lebih besar dengan bentuk persegi atau silinder dapat pula digunakan. Jika pelarutnya zat organik, maka kuvet yang digunakan harus tertutup. • Untuk cuplikan padat : jika cuplikannya sudah transparan, misalnya lembaran plastik, substrat tipis pada kaca, maka cuplikan tersebut dapat langsung ditempatkan pada jalur sinar. • Untuk cuplikan cair : jika cuplikan mengandung HF maka menggunakan kuvet yang terbuat dari plastik. Jika menggunakan pelarut air atau pelarut organik, digunakan kuvet gelas atau silika atau kuarsa. Pelarut yang digunakan harus dapat melarutkan cuplikan dengan sempura dan dapat meneruskan radiasi dalam daerah panjang gelombang. Sebaiknya sebelum digunakan sel atau kuvet dibersihkan dengan air, jika perlu dicuci dengan detergen atau dengan asam nitrat panas. d. Detektor, pada daerah ultra violet dan visible digunakan detektor fotolistrik yang terdiri dari tabung foton (fotosel) dan tabung pengganda foton (fotomultiplier). Setiap detektor menyerap energi foton yang mengenainya dan mengubah energi tersebut sedemikian rupa sehingga dapat diukur secara kuantitatif seperti pada arus listrik dan perubahan – perubahan panas. Pada umumnya detektor menghasilkan sinyal listrik yang dapat mengaktifkan pencatat. Setiap pencatat menghasilkan sinyal yang berkaitan dengan energi cahaya yang mengenainya. • Fotosel (tabung foton), sebuah bola kaca dengan dinding bagian dalam dilapisi senyawa yang peka terhadap cahaya (cesium / oksida kalium).
Laporan Tugas Akhir
8
Lapisan tersebut akan memancarkan elektron jika dikenai cahaya
sehingga timbul arus listrik.
• Sel pengganda foton (photomultiplier), kepekaan fotosel ditingkatkan
dengan alat ‘pengganda foton’ sehingga dapat diperoleh elektron (sekunder) yang lebih banyak arus yang keluar diperkuat dengan
amplifier dan diubah (dengan transduser) menjadi energi listrik
sebagai pencatat.
e. Pencatat atau rekorder, dalam rekorder signal tersebut direkam sebagai spektrum yang berbentuk puncak – puncak. Spektrum absorpsi merupakan plot antara absorbans sebagai ordinat dan panjang gelombang sebagai absis (Nancy SD dkk, 2001).
2.6.2 Spektrofotometer Infra Merah (IR)
Daerah spektrum
radiasi infrared dengan bilangan gelombang sekitar
12800 – 10 cm-1 atau panjang gelombang dari 0.78 – 1000 µm. Pada umumnya daerah radiasi infrared terbagi dalam daerah infrared dekat (12800 – 4000 cm-1), daerah infrared tengah (4000-200 cm-1) dan daerah infrared jauh (200 – 10 cm-1). Tetapi yang paling sering digunakan berkisar 4000 – 670 cm-1 (termasuk daerah infrared tengah) (Skoog, 2007). Tabel 2.2 Daerah Radiasi Infrared
Daerah Dekat Pertengahan Jauh Sering digunakan
Panjang Gelombang (λ),µm 0.78 – 2.5 2.5 – 50 50 – 1000
Bilangan Gelombang (v)cm-1 12800 – 4000 4000 – 200 200 – 10
3.8x1014 - 1.2x1014 1.2x1014 - 6.0x1012 6.0x1012 - 3.0x1011
2.5 – 15
4000 – 670
1.2x1014 - 2.0x1013
Frekuensi (v), Hz
Sumber: Skoog, 2007
Aplikasi yang paling penting dari daerah spektrum ini dapat menganalisis secara kulitatif dan kuantitatif untuk jenis molekul tertentu (Skoog, 1971), bahan industri dan pertanian serta untuk pengendalian proses (Skoog, 1998).
Laporan Tugas Akhir
9
Komponen spektrofotometer infrared terdiri dari : sumber (radiasi), tempat
sampel, monokromator, detektor dan rekorder.
a. Sumber radiasi, radiasi infrared dihasilkan dari pemanasan suatu sumber radiasi dengan listrik, berupa Nernst atau lampu Globar, dengan suhu 1000 – 1800οC.
b. Tempat sampel atau sel, tempat ini tergantung dari jenis sampel untuk
sampel berbentuk gas digunakan sel gas dengan lebar sel atau panjang
berkas radiasi 40 m. Tempat sampel berbentuk cairan umumnya mempunyai panjang berkas radiasi kurang dari 0.01 mm biasanya dibuat tipis atau film dan diletakkan diantara dua keping senyawa yang transparan terhadap sinar infrared. Sampel untuk padatan dapat dibuat menjadi pelet, pasta atau lapis tipis (Silverstein dkk). c. Monokromator, pada pemilihan panjang gelombang infrared dapat menggunakan filter, prisma dan grating. Berkas radisi terbagi dua, sebagian melewati sampel dan sebagian lagi melewati blanko. Setelah dua
berkas
bergabung
kembali
kemudian
dilewatkan
kedalam
monokromator. d. Detektor, setelah radisi infrared melewati monokromator berkas radiasi ini dipantulkan oleh cermin – cermin dan akhirnya ditangkap oleh detektor. e. Detektor merupakan alat yang dapat mengukur atau mendeteksi energi radisi akibat pengaruh panas. f. Rekorder sinyal yang dihasilkan dari detektor kemudian direkam sebagai spektrum infrared yang berbentuk puncak - puncak absorpsi. Spektrum infrared menunjukan antara absorpsi dan frekuensi atau bilangan gelombang atau panjang gelombang (Silverstein, 1916).
2.6.3 SEM-EDS
Scanning Electron Microscopy (SEM) merupakan sejenis mikroskop yang menggunakan elektron sebagai pengganti cahaya untuk melihat benda dengan Laporan Tugas Akhir
10
resolusi tinggi. Analisis SEM bermanfaat untuk mengetahui mikrostruktur (termasuk porositas dan bentuk retakan) benda padat. Berkas sinar elektron
dihasilkan dari filamen yang dipanaskan, disebut electron gun. Cara kerja SEM adalah gelombang elektron yang dipancarkan electron gun
terkondensasi dilensa kondensor dan terfokus sebagai titik yang jelas oleh lensa objektif. Scanning coil yang diberi energi menyediakan medan magnetik bagi sinar elektron. Berkas sinar elektron yang mengenai cuplikan menghasilkan
elektron sekunder dan kemudian dikumpulkan oleh detektor sekunder atau backscatter detector. Gambar yang dihasilkan terdiri dari ribuan titik berbagai
intensitas di permukaan Cathode Ray Tube (CRT) sebagai topografi gambar (J. Kroschwitz, 1990). Pada sistem ini berkas elektron dikonsentrasikan pada spesimen, bayangannya diperbesar dengan lensa objektif dan diproyeksikan pada layar (Gunawan, 2010).
Gambar 2.2 Skema Alat Scanning Electron Microscope (SEM)
Cuplikan yang akan di analisis dalam kolom SEM perlu dipersiapkan terlebih dahulu, walaupun telah ada jenis SEM yang tidak memerlukan penyepuhan (coating) cuplikan. Terdapat tiga tahap persiapan, antara lain (Gedde, 1995) : 1. Pelet dipotong menggunakan gergaji intan. Seluruh kandungan air, larutan dan semua benda yang dapat menguap apabila divakum, dibersihkan. 2. Cuplikan dikeringkan pada 60°C minimal 1 jam.
Laporan Tugas Akhir
11
3. Cuplikan non logam harus dilapisi dengan emas tipis. Cuplikan logam
dapat langsung dimasukkan dalam ruang cuplikan.
Sistem penyinaran dan lensa pada SEM sama dengan mikroskop cahaya
Pada pengamatan yang menggunakan SEM lapisan cuplikan harus bersifat biasa.
konduktif agar dapat memantulkan berkas elektron dan mengalirkannya ke ground. Bila lapisan cuplikan tidak bersifat konduktif maka perlu dilapisi dengan emas.
Pada pembentukan lapisan konduktif, spesimen yang akan dilapisi
diletakkan pada tempat sampel di sekeliling anoda. Ruang dalam tabung kaca
dibuat mempunyai suhu rendah dengan memasang tutup kaca rapat dan gas yang ada dalam tabung dipompa keluar. Antara katoda dan anoda dipasang tegangan 1,2 kV sehingga terjadi ionisasi udara yang bertekanan rendah. Elektron bergerak menuju anoda dan ion positif dengan energi yang tinggi bergerak menumbuk katoda emas. Hal ini menyebabkan partikel emas menghambur dan mengendap di permukaan spesimen. Pelapisan ini dilakukan selama 4 menit. Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDS) merupakan suatu metode yang digunakan untuk menentukan radiasi spektrum energi sinar-X. EDS dijumpai sebagai pelengkap dari Scanning Electron Microscope (SEM) sehingga alat SEM ini dapat digunakan untuk analisis elementar. Teknik ini merupakan teknik yang cepat dan tidak destruktif (Qulub, 2011). Kekosongan elektron ini akan diisi oleh elektron dari orbital yang lebih luar diikuti dengan pelepasan energi yang berupa sinar-X. Sinar-X yang dihasilkan merupakan suatu gabungan spektrum berenergi tertentu (discreet) yang berasal dari bahan sasaran yang tertumbuk elektron. Jenis spektrum discreet yang terjadi tergantung pada perpindahan elektron yang terjadi dalam atom bahan. Spektrum ini dikenal sebagai spektrum sinar-X karakteristik.
Laporan Tugas Akhir
12
Gambar 2.3 Mekanisme Pembentukan Sinar-X Karakteristik (sumber: Qulub, 2011)
Analisis EDX dapat digunakan untuk analisis kualitatif dan kuantitatif. Analisis kualitatif memberikan informasi jenis unsur yang terkandung dalam bahan, sedangkan analisis kuantitatif memberikan informasi jumlah unsur yang terdapat dalam bahan tersebut. Untuk tujuan analisis sinar-X dapat dihasilkan dengan berbagai cara diantaranya (Skoog, 1998) : 1. Memborbardir logam tujuan dengan menggunakan elektron berenergi tinggi. 2. Penembakan target dengan sumber-X sehingga dapat mengeluarkan sinar-X berikutnya. 3. Menggunakan bahan radioaktif yang dapat merusak spesi target. 4. Menggunakan sumber radiasi sinkroton.
Laporan Tugas Akhir
13
Gambar 2.4 Alat SEM-EDS (sumber: http://www.electronicmotionsystems.co.uk/ manufacturing.htm)
2.6.4 XRD
Sinar-X diproduksi untuk difraksi oleh interaksi elektron dengan target metal. Istilah sinar-X mengacu pada radiasi elektromagnetik dengan panjang gelombang antara 0.01 – 100 Å. Sinar-X di bawah 1 Å disebut "keras", dan ini termasuk sinar gamma; sinar-X diatas rentang 10 Å, disebut "lunak". Satuan Internasional untuk panjang gelombang sinar-X adalah nanometer (1 nm = 10-9 m), tetapi dalam satuan angstrom (1 nm = 10 Å). V
electrons target
w filament x-ray
Gambar 2.5 Skema Produksi Difraksi Sinar-X (sumber: Krawitz, 2001)
Laporan Tugas Akhir
14
Sinar-X dihasilkan oleh percepatan elektron termal dari tingkat energi yang
lebih tinggi ke tingkat energi yang lebih rendah, dari filamen tungsten (katoda) ke
metal (anoda). Tabung vakum mendapatkan kabel tegangan tinggi, memiliki pendingin (kondensor) dibagian atas untuk meghilangkan panas dari target.
Jendela berilium tempat dimana sinar-X muncul. Target terdiri dari tiga jenis berdasarkan lebar target : halus (0.5 mm), normal (1 mm) dan fokus yang luas (2 mm).
Komponen sinar-X terdiri dari :
1. Sumber sinar-X yaitu tabung sinar-X.
2. Sebuah generator untuk menyalakan sumber sinar-X, memasok arus ke
filamen tungsten sehingga menyebabkan emisi termionik dari elektron dan tegangan tinggi (20-50 kV) untuk mempercepat menuju target. 3. Detektor, terdiri dari tiga jenis : gas proporsional, kilau dan Si (Li). 4. Difraktometer, sistem mekanis untuk menahan dan mengarahkan sampel yang memungkinkan detektor untuk mengukur tersebarnya sinar-X disekitar sampel (Krawitz, 2001).
2.7
Antibakteri
Sintesis nanokomposit bertujuan untuk aplikasi dalam bidang medis, oleh karena itu dilakukan pengujian antibakteri. Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui daya hambat nanokomposit oksida logam terhadap bakteri. Pada umumnya, pengujian antibakteri dilakukan menggunakan bakteri gram positif dan gram negatif (Valodkar dkk, 2011). Kelompok bakteri yang termasuk gram negatif adalah Enterobactericeae, Salmonella sp, Shigella sp, E. Coli, Acetobacter, Zoogloea, Xanthomonas, Spirochaetes dan lain - lain. Sedangkan bakteri gram positif adalah Clostridium sp, Bacillus sp, S. aureus, Actinomycetes, Propionobacteria, Brevibacteria, Mycobacteria dan lain – lain (Jane Taylor, 1992). Berikut tabel 2.3 perbedaan antara bakteri gram positif dan gram negatif.
Laporan Tugas Akhir
15
Tabel 2.3 Perbedaan Gram Positif dan Gram Negatif
Sifat Komposisi dinding sel
Gram Positif Kandungan lipid rendah Lebih sensitif Lebih dihambat Komplek
Ketahanan terhadap penisilin Penghambatan warna basa Kebutuhan nutrien Ketahanan terhadap perlakuan Lebih tahan fisik
Gram Negatif Lipid tinggi Lebih tahan Kurang dihambat Relatif sederhana Kurang tahan
Sumber: Jane Taylor, 1992
Laporan Tugas Akhir
16
