Penerapan Metode Dinamika Molekul untuk Pembelajaran: Konsep Titik Leleh dan Perubahan Wujud

JURNAL Teori dan Aplikasi Fisika

Vol.01, No. 02, Juli 2013

Penerapan Metode Dinamika Molekul untuk Pembelajaran: Konsep Titik Leleh dan Perubahan Wujud Widiasih1, Herawati2, Heni Safitri3, Artoto Arkundato4 1,2,3

Pendidikan Fisika, Jurusan PMIPA, Fakultas Keguruan dan Ilmu Pendidikan, Universitas Terbuka 4 Jurusan Fisika, FMIPA, Universitas Jember Email:[email protected], [email protected], [email protected],[email protected] Diterima (9 Juli 2013), direvisi (24 Juli 2013) Abstract. Molecular dynamics method has been applied to model the phase transition of the aluminium (Al). We used the LAMMPS molecular dynamics code to simulate the physical process of the phase transition and observing the dynamics of atoms by using Jmol vizualitation code. From the simulation data we found that the phase transition where the melting point of the material is, can be observed at temperature T = 1059,75 K. In this view we may use the molecular dynamics method as an innovative model of physical learning model in senior high school level, as an alternative of dry lab. Keywords: Molecular dynamics method, Phase transition, Melting point, LAMMPS. Abstrak. Metode dinamika molekul sebagai salah satu metode komputasi material yang handal untuk prediksi sifat-sifat fisis dan kimia bahan digunakan dalam peneltian ini. Dengan metode ini gerak atom-atom bahan dapat dipelajari dan divisualisasikan dengan sangat baik dan informatif sehingga mampu menggambarkan proses fisis yang terjadi secara mikroskopis, misalanya pada fenomena transisi fase atau perubahan wujud bahan. Pada penelitian ini metode dinamika molekul yang direalisasikan dalam bentuk perangkat lunak LAMMPS digunakan untuk dapat menggambarkan proses transisi fase yang terjadi sekaligus memperkirakan nilai titik leleh bahan yang diteliti. Dalam simulasi, panas diberikan kepada bahan secara bertahap mulai dari keadaan suhu rendah sampai suhu tinggi di perkirakan diatas titik lelehnya. Keadaan bahan setiap fasenya dilihat dengan mengukur fungsi RDF bahan dan juga melihat struktur kristal bahan dengan menggunakan perangkat lunak Jmol, untuk menentukan nilai titik leleh bahan. Metode dinamika molekul ini dapat diterapkan untuk model inovatif pembelajaran konsep perubahan wujud bahan dalam fisika untuk dapat memudahkan pemahaman konsep fisika yang diberikan kepada siswa. Pada penelitian ini diukur titik leleh logam alumunium yang memperlihatkan bahwa titik lebuhnya sekitar T = 1059,75 K. Kata Kunci: Metode dinamika molekul, Transisi fase, Simulasi titik leleh, LAMMPS.

PENDAHULUAN Metode dinamika molekul (MD) merupakan salah satu metode komputasi fisika yang popular untuk mensimulasikan gerak atom, molekul dan obyek berukuran besar seperti planet dalam galaksi. -----------------------------*Coresponding author: E-mail: [email protected]

Dengan metode MD gerak atom-atom bahan jika mengalami pengaruh dari luar seperti akibat pemanasan, dapat amati dari waktu ke waktu. Secara ringkas metode MD memerlukan informasi koordinat awal atom, kondisi simulasi (temperatur, tekanan, rapat partikel, dan lain-lain), fungsi potensial interaksi antar atom untuk

171

Widiasih dkk: Penerapan Metode Dinamika Molekul untuk Pembelajaran: Konsep Titik Leleh dan Perubahan Wujud

obyek yang akan disimulasikan dan spesifikasi obyek yang disimulasikan (massa, muatan, jumlah atom, dan lainlain). Pada dasarnya dinamika molekul memerlukan informasi yang akurat untuk fungsi potensial interaksi tersebut.Semakin akurat fungsi potensial yang menggambarkan interaksi antar partikel, atom dan molekul maka semakin akurat hasil simulasi yang kita dapatkan.Di lain pihak, metode dinamika molekul sebenarnya berangkat dari pemikiran menyelesaikan persamaan  dp gerak Newton kedua ( F  ) untuk dt sistem fisis yang diteliti.Solusi persamaan gerak Newton tersebut menggambarkan trayektori atom-atom bahan dan selanjutnya menggunakan fisika statistik dapat dihitung dan dapat diprediksi nilai besaran-besaran termodinamiknya seperti enthalpi bahan, koefisien difusi, dsb. Tulisan ini memaparkan bagaimana metode MD diterapkan untuk merancang model pembelajaran fisika inovatif mengenai konsep fisika perubahan wujud bahan (dry lab). Kelebihan model ini gambaran mikroskopik struktur bahan selama proses perubahan wujud zat, pergerakan atom-atom selama proses pelelehan dapat divisualkan, dimana hal ini sulit dilakukan secara eksperimen. Pada penelitian metode MD diterapkan untuk mempelajari titik leleh dan perubahan fase bahan aluminium (Al).

(1)

Unduh code LAMMPS (pilih Windows) dari http://lammps.sandia.gov dan menyimpan ke PC dalam folder sembarang

(2) Unduh file potensial EAM (pilih misal untuk Al) dari http://www.ctcms.nist.gov/potentials/ simpan di folder yang sama

(3) Buat file script untuk input LAMMPS dengan nama sembarang dalam folder yang sama

(4) Jalankan code LAMMPS dari command prompt C:\ (5) (6)

Buat analisis, kesimpulan dan visualisasi dari hasil

Unduh code vizualisasi Jmol dari www.jmol.org dan simpan di folder yang sama

Gambar 1. Diagram alir langkah-langkah penelitian

logam aluminium langkah-langkahnya dapat diringkas dalam diagram alur sebagai berikut (Gambar 1): Keterangan: (4) Program LAMMPS dijalankan dengan input temperatur yang naik setahap demi setahap mulai dari temperatur rendah naik sampai beberatus di atas perkiraan titik lelehnya.

METODE PENELITIAN HASIL DAN PEMBAHASAN Program simulasi dinamika molekul yang digunakan pada penelitian ini adalah LAMMPS, yang dapat diunduh dari website http://lammps.sandia.gov. Program LAMMPS adalah program open-source yang dapat diunduh gratis bahkan dapat dimodifikasi disesuaikan dengan kebutuhan, termasuk untuk pembelajaran. Selanjutnya simulasi 172

Prediksi temperatur leleh logam Aluminium Data-data hasil simulasi meliputi step integrasi, temperatur, energi potensial, energi total dan sebagainya sesuai script input. Pada penelitian ini simulasi dijalankan dalam 130000 step integrasi dengan algoritma Verlet.

JURNAL Teori dan Aplikasi Fisika

Untuk mengetahui temperatur titik lebur logam Al, maka kita buka file log.lammps kemudian dibuat plot data temperatur T (sumbu horizontal) dengan energi total sistem ET (sumbu vertikal). Dari grafik T-ET terlihat ada daerah dimana terjadi perubahan tiba-tiba pada kurva energi total. Gambar 2 memperlihat grafik T-ET untuk logam Al. Dari Gambar 2 perubahan fase terjadi antara T1 dan T2.Untuk hasil simulasi terbaik maka seharusnya perubahan hanya terjadi pada satu garis, yaitu pada satu nilai T.Pada hasil simulasi terdapat dua titik T1 san T2. Namun bisa diambil pendekatan dengan nilai tengahnya yaitu: T T T  T1  2 1 (1) 2 Dari data hasil simulasi dan berdasarkan penafsiran terhadap grafik TET pada Gambar 2, dan menggunakan pers.(7) maka dapat dihitung temperatur titik lebur logam Al adalah sekitar T = 1059,75 K pada step integrasi ke 78200. Perubahan fase dari padat menjadi cair dapat digambarkan lebih informatif berdasarkan gambaran strukur mikroskopik material, yaitu dengan melihat posisi atom-atom penyusun material. Pada studi ini material aluminium sebelum diberikan panas yang makin meningkat adalah kristal berstruktur FCC seperti pada Gambar 3 di bawah ini.

Gambar 2.

Grafik T-ET untuk perubahan fase padat-cair logam Al

Vol.01, No. 02, Juli 2013

Gambar 3. Konfigurasi awal logam Al struktur kristal FCC untuk simulasi (dengan code vizualisasi Jmol.

Gambar struktur mikro dikerjakan dengan program code Jmol yang dapat diunduh dari website www.jmol.org. File yang diplot adalah posisi-posisi 1280 atom Al yang menyusun material untuk berbagai temperatur. File-file koordinat (x,y,z) dapat dilihat pada file dump yang dikeluarkan oleh program LAMMPS. Simulasi dijalankan dan dimulai dari temperatur T nol absolut pada step ke nol kemudian temperatur dinaikan secara gradual sepanjang simulasi sampai mencapai temperatur 1950,51 K pada step ke 130000. Pada Gambar 4 memperlihatkan hasil simulasi setelah step ke 60000 (T= 840,49 K) struktur alumunium masih belum sepenuhnya mencair, sedangkan pada step ke 70000 (T = 1011,11 K)sudah lebih acak atomatomnya. Pada step ke 80000 terlihat material Al sudah meleleh seluruhnya.

Gambar 4.

Gambaran struktur mikro dari Aluminium untuk berbagai temperatur

173

Widiasih dkk: Penerapan Metode Dinamika Molekul untuk Pembelajaran: Konsep Titik Leleh dan Perubahan Wujud

Gambar 5. Struktur mikro Aluminium pada T = 1950,51 K pada step 130000

Dari Gambar 4 dapat kita lihat antara T = 1011,11K dan T = 1015,07 K terjadi perubahan struktur yang dramatis dari cenderung padat ke keadaan fase cair. Oleh karena itu prediksi temperatur titik lebur dicapai pada T = 1059,75 K adalah beralasan. Gambar 5 memperlihatkan struktur mikro alumunium pada T = 1950,51 K (pada step 130000) jauh diatas titik lebur. Namun terlihat bahwa struktur mikro bahan Al pada step 130000 mirip dengan struktur bahan pada T = 1015,07 K pada step 80000. Oleh karena itu pada step ke 80000 bahan diprediksi sudah masuk fase cair, sedangkan titik lebur dimana terjadi perubahan dari padat ke cair diprediksi pada T = 1059,75 K .

dapat diterapkan untuk model pembelajaran konsep fisika perubahan wujud berbagai zat untuk siswa SMA. Penerapan untuk material selain Aluminium dilakukan dengan mengganti file potensial EAM yang sesuai untuk logam yang ingin dipelajari. Program LAMMPS dapat digunakan untuk mempelajari besaran fisis yang lain selain temperatur yang merupakan pengembangan untuk studi lain. Sebagai saran maka untuk mendukung kesimpulan ini dapat dilakukan penelitian dengan menerapkan model pembelajaran di ruang kelas sekolah untuk mengetahui tingkat penyerapan siswa pada mata pelajaran dimaksud. Hal ini karena metode MD ini untuk media pembelajaran fisika perubahan wujud siswa SMA menurut sepengetahuan peneliti belum pernah dilakukan, sementara pengamatan proses mikroskopis bahan sebenarnya cukup penting diketahui oleh siswa, dimana hal ini tidak mungkin dilakukan dalam bentuk eksperimen di sekolah. Oleh karena itu model MD untuk pembelajaran merupakan Dry Lab. UCAPAN TERIMA KASIH

KESIMPULAN Dengan metode MD dapat diprediksi titik lebur logam aluminium (Al) adalah pada T = 1059,75 K. Gambaran struktur mikro bahan mulai dari padatan, setengah padat sampai dalam bentuk fase cair dapat dijelaskan dengan baik dan informatif berdasarkan data hasil simulasi LAMMPS yang divisualisasikan menggunakan program Jmol. Dengan gambaran lengkap simulasi mulai dari (1) pilihan fungsi potensial EAM yang dapat diganti-ganti untuk berbagai bahan, (2) visualisasi gerak atom-atom bahan selama proses pemanasan (dapat dikembangkan dengan menggunakan aplikasi Movie Maker), maka model metode MD ini diharapkan 174

Penulis mengucapkan terimakasih kepada Lab.Komputasi Jurusan Fisika Universitas Jember untuk dukungan fasilitas komputasi yang diperlukan dalam penelitian ini, dan juga kepada pengembangan LAMMPS dan Jmol. DAFTAR PUSTAKA Arkundato, A. , Suud, Z., and Abdullah, M. (2010) ‘Corrosion study of Fe in a stagnant liquid Pb by molecular dynamics methods’, in AIP Conference Proceeding, New York,Vol. 1244, pp.136 - 144. Arkundato, A. , Suud, Z., Abdullah, M., Widayani, S., and Massimo, C. (2012)

JURNAL Teori dan Aplikasi Fisika

‘Numerical study: Iron corrosionesistance in lead-bismuth eutectic coolant by molecular dynamics method’, in AIP Conference Proceeding, New York,Vol. 1448, pp.155. Arkundato, A. , Suud, Z., Abdullah, M., Widayani, S. (2012) ‘Computational study: reduction of iron corrosion in lead coolant of fast nuclear reactor’, in AIP Conference Proceeding, New York,Vol. 1454. Artoto Arkundato, Zaki Suud, Mikrajuddin Abdullah, Widayani (2009), Perhitungan Koefisien Difusi Logam Fe Dalam Pb Cair Dengan Metode Dinamika Molekuler: Studi Awal Korosi Dalam Reaktor Cepat, SPEKTRA:Jjurnal Fisika dan Aplikasinya, Vol. 8, No.2 Desember 2009. Ackland, G. J., D’Mellow, K., Daraszewicz, S. L., Hepburn, D. J., Uhrin, M.K., and Stratford (2011) ‘The MOLDY short-range molecular dynamics package’, Computer Physics Communications, Vol. 182, pp.2587-2604.

Vol.01, No. 02, Juli 2013

method', Phys Chem Minerals, Vol. 25, pp. 138-141. Brodholt, J. and Wood, B. (1993) 'Molecular dynamics simulations of the properties of CO2-H2O mixtures at high pressures and temperatures', American Mineralogist, Vol. 78, pp. 558-564. Lemmon, E.W. and Jacobsen, R.T. (2004) ‘Viscosity and thermal conductivity equations for nitrogen, oxygen, argon and air’, International Journal of Thermophysics, Vol. 25(1), pp.21 - 69. Embedded atom model. http://en.wikipedia.org/wiki/Embedded_at om_model di akses 7 Juli 2012 Interatomic Potentials Repository Project, http://www.ctcms.nist.gov/ Di akses 7 Juli 2012 Plimpton,S. (1995) Fast Parallel Algorithms for Short-Range Molecular Dynamics, J Comp Phys, 117, 1Laboratory for Materials Modeling and Simulations, http://cms.sjtu.edu.cn/.... Diakses 7 Juli 2012.

Belonoshko, A.B. (1998) 'Melting of corundum using conventional and twophase molecular dynamic simulation

175