SINTESIS DAN KARAKTERISASI PARTIKEL NANO Fe3O4 DENGAN TEMPLATE PEG- 1000 Febie Angelia Perdana Jurusan Fisika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111 E-mail :
[email protected]
Abstrak Partikel Nano Fe3O4 telah berhasil disintesis menggunakan metode kopresipitasi dengan penambahan Polietilen Glikol (PEG-1000) sebagai template. Ukuran partikel, distribusi dan sifat magnetik dari partikel nano ini diteliti berdasarkan perbandingan volume larutan dan PEG, yaitu 1:1; 1:2 dan 1:4. Ukuran dan distribusi serta sifat magnetiknya dapat dikarakterisasi menggunakan X-Ray Diffractometer (XRD) and Vibrating Sample Magnetometer (VSM). Ukuran partikel dari nanopartikel ini menurun dengan bertambahanya perbandingan volume larutan dan PEG-100 dari 10,9 nm sampai 6 nm. Medan koersivitas dan magnetisasi remanen partikel nano Fe3O4 menurun dengan menurunya ukuran kristal.
Kata kunci : Partikel Nano Fe3O4, Polietilen Glikol (PEG-1000), Template Pendahuluan Nano partikel magnetik telah menjadi material menarik yang dikembangkan karena sifatnya yang terkenal dan sangat potensial dalam aplikasinya dalam berbagai bidang, seperti ferrofluids, katalis, pigmen warna, dan diagnosa medik. Bagaimanapun, beberapa sifat partikel nano magnetik ini bergantung pada ukurannya. Sebagai contoh, ketika ukuran suatu partikel nano magnetik di bawah 10 nm, akan bersifat superparamagnetik pada temperatur ruang, artinya bahwa energi termal dapat menghalangi anisotropi energi penghalang dari sebuah partikel nano tunggal. Karena itu, bagaimana mensintesis partikel nano seragam dengan mengatur ukurannya menjadi salah satu kunci masalah dalam ruang lingkup sintesis nanopartikel (Aiguo et al. 2008). Salah satu zat yang dapat dipakai untuk membentuk dan mengontrol ukuran dan struktur pori adalah polyethylene glycol (PEG). Dalam hal ini PEG dapat berfungsi sebagai template, dan juga pembungkus partikel besi sehingga tidak terbentuk agregat, hal ini dikarenakan PEG terjebak pada permukaan partikel dan menutupi ion positif besi, dan pada akhirnya akan diperoleh hasil partikel dengan bentuk bulatan yang seragam. Akan
tetapi, PEG yang ditambahkan berjumlah cukup besar agar bekerja sesuai dengan fungsinya; misalnya untuk PEG 2000 sekitar 200 % dari jumlah bahan yang akan ditambahkan (Ratna balkis. 2009). Pada penelitian ini dilakukan sintesis dan karakteisasi partikel nano Fe3O4 dengan template PEG – 1000 dengan X-Ray Diffraction (XRD) dan Vibrating Sample Magnetometer (VSM). Penelitian dilakukan untuk mengetahui pengaruh penambahan PEG – 1000 sebagai template terhadap distribusi ukuran partikel nano Fe3O4. Tinjauan Pustaka 1. Pasir Besi di Indonesia Secara umum pasir besi mempunyai komposisi utama besi oksida, silikon oksida, serta senyawa-senyawa lain dengan kadar yang lebih rendah. Komposisi kandungan pasir dapat diketahui setelah dilakukan pengujian, misalnya dengan menggunakan XRD (X-Ray Difraction) atau XRF (X-Ray Flouresence). Karakter pasir besi di kabupaten Lumajang, yang akan digunakan sebagai bahan dasar pembuatan partikel nano Fe3O4 mempunyai kadar Ferum (Fe) yang sangat rendah, yaitu sekitar 40-50 persen. Mengandung berbagai
bahan pengotor seperti Titanium (Ti), Vanadium (V), Nikel (Ni), dan Cobalt (Co).
2. Material Nanomagnetik Fe3O4 Rumus kimia magnetit sering ditulis dalam bentuk FeO..Fe2O3 dimana satu bagian adalah wustite (FeO) dan bagian lainnya adalah hematit (Fe2O3). Selain itu magnetit mempunyai struktur kristal spinel dengan sel unit kubik yang terdiri dari 32 ion oksigen, dimana celah-celahnya ditempati oleh ion Fe2+ dan ion Fe3+. Delapan ion Fe3+ dalam tiap sel berada pada bagian tetrahedral, karena berlokasi di tengah sebuah tetrahedron yang keempat sudutnya ditempati ion oksigen. Sisanya delapan ion Fe3+ dan delapan ion Fe2+ berada pada bagian oktahedral, karena ion-ion oksigen sekitarnya menempati sudut-sudut sebuah oktahedron yang sudut-sudutnya ditempati oleh enam atom oksigen. Tiap-tiap unit sel berisi sejumlah ion, satu unit sel terbagi menjadi delapan oktan (kubus spinel), masing-masing berukuran a/2, empat oktan yang berasir memiliki ukuran isi yang sama, begitu pula yang tidak diarsir(Gambar 2.1). Ion-ion oksigen disusun dengan cara yang sama, tetraherdal di oktan terarsir dan oktaherdral di oktan tidak terarsir.
Gambar 2.2 Unit sel Fe3O4
3. Poliethilen Glikol (PEG) Poli (ethilen glikol) (PEG), juga dikenal sebagai poli (etilena oksida) (PEO), polyoxyethylene (POE) dan di bawah tradename Carbowax adalah yang paling penting secara komersial jenis polieter. PEG, PEO atau POE merujuk pada sebuah Oligomer atau polimer etilen oksida. Tiga nama yang identik secara kimiawi, tetapi secara historis PEG cenderung untuk merujuk pada oligomers dan polimer dengan massa molekul di bawah 20.000 g / mol, PEO untuk polimer dengan massa molekul di atas 20.000 g / mol, dan POE untuk polimer dengan beberapa molekul massa. PEG dan PEO adalah cairan atau padat mencair rendah, tergantung pada berat molekul. HO-CH2 – (CH2-O-CH2-)n-CH2-OH
Gambar 2.3 Struktur Polietilen Glikol (PEG)
Angka-angka yang sering termasuk dalam nama-nama PEG menunjukkan berat molekul rata-rata mereka, misalnya, seorang PEG dengan n = 9 akan memiliki berat molekul rata-rata sekitar 400 daltons dan akan diberi label PEG 400. Metodologi
Gambar 2.1 Struktur kristal dari Ferrit
Pasir besi yang telah diekstrak dilarutkan dalam HCl sebanyak ± 35 ml pada suhu ~ 70° C dan diaduk sekitar 15 menit dalam magnetic stirrer. Setelah larutan terbentuk, dilakukan penyaringan dengan menggunakan kertas saring. PEG – 1000 yang berbentuk padatan, dipanaskan dan dilelehkan pada suhu 40ºC. PEG-1000 yang sudah mencair ditambahkan dalam larutan dengan
variasi perbandingan volume 1:1, 1:2 dan 1:4, kemudian diaduk menggunakan magnetic stirrer. NH4OH ditambahkan sebanyak ± 30 ml dalam larutan sambil di aduk dan dipanaskan menggunakan magnetic stirrer pada suhu ~ 70°C. Endapan Fe3O4 yang terbentuk (berwarna hitam pekat) dipisahkan dari larutannya yang kemudian dicuci menggunakan aquades. Untuk mendapatkan serbuk partikel nano Fe3O4, endapan dikeringkan dalam oven pada suhu sekitar 70ºC selama 5 jam yang kemudian dikarakterisasi dengan X-Ray Diffractometer (XRD) dan Vibrating Sample Magnetometer (VSM). Hasil dan Pembahasan
(d)
mempunyai ukuran kristal yang lebih besar dibandingkan sampel dengan penambahan PEG-1000. Dari Tabel 4.1 dapat dilihat bahwa semakin besar konsentrasi penambahan PEG1000, semakin kecil ukuran kristal yang didapatkan. Hasil ini jauh berbeda dengan penelitian yang sudah dilakukan sebelumnya. Pada penambahan PEG-400 menyebabkan ukuran kristal Fe3O4 semakin besar (Anwar,2007). Perbedaan hasil ini kemungkinan diakibatkan oleh berat molekul dari masing-masing PEG. PEG-1000 mempunyai berat molekul yang lebih besar dibandingkan dengan berat molekul PEG-400, sehingga jumlah rantai PEG yang melapisi permukaan partikel Fe3O4 juga semakin banyak. Semakin banyak permukaan partikel Fe3O4 semakin menghambat pertumbuhan partikel ini. Sehingga ukuran kristanlnya semakin kecil karena pertumbuhannya dibatasi atau dihalangi oleh banyaknya rantai PEG.
(c) Tabel 4.1 Ukuran kristal masing-masing sampel (b) (a)
Gambar 4.3 Pola difraksi Sinar –ܺ dengan variasi perbandingan penambahan PEG-1000. (a) Tanpa PEG-1000, (b) Perbandingan PEG-1000 1:1, (c) Perbandingan PEG-1000 1:2, (d) Perbandingan PEG-1000 1:4.
Gambar 4.3 menunjukkan pola difraksi sinar-ܺ dari sampel dengan variasi perbandingan penambahan PEG-1000 dan tanpa penambahan PEG-1000. Dari gambar tersebut dapat dilihat bahwa terbentuk puncak yang semakin lebar dengan bertambahnya variasi perbandingan penambahan volume PEG-1000 yang mengindikasikan ukuran kristalnya semakin kecil. Berdasarkan hasil analisis menggunakan program search match dan analisis kualitatif menggunakan metode Hanawalt, bahwa sampel mengandung 100% fasa Fe3O4. Tidak ditemukan juga adanya fasa PEG dalam sampel. Hal ini berarti PEG-1000 tidak ikut bereaksi dan hanya bertindak sebagai template saja. Ukuran kristal masing-masing sampel dapat ditentukan salah satunya menggunakan program Material Analysis Using Diffraction (MAUD) dengan data ICSD No. 82237 (a = 8,3873 Å). Tabel 4.1 menunjukkan ukuran kristal dari masing-masing sampel. Sampel tanpa penambahan PEG-1000 Fe3O4
Sampel
Fe3O4 Fe3O4 dengan PEG 1:1 Fe3O4 dengan PEG 1:2 Fe3O4 dengan PEG 1:4
Ukuran Partikel (nm) 10,91±3,474 7,28±1,277 6,53±1,282 7,51±1,451
Berdasarkan Tabel 4.1 dapat dilihat, dengan penambahan PEG-1000 dengan perbandingan 1:2 sangat efektif karena menghasilkan ukuran yang paling kecil. Tabel 4.2 Nilai rata-rata ukuran kristal Fe3O4 dengan penambahan PEG-400
Mol PEG 0,023 0,050 0,075
Ukuran Rata-rata Kristal (nm) 9,41 ± 3,52 11,49 ± 2,42 16,29 ± 5,10
Berdasarkan Tabel 4.1 dapat dilihat, dengan penambahan PEG-1000 dengan perbandingan 1:2 sangat efektif karena menghasilkan ukuran kristal yang paling kecil. Pada penelitian sebelumnya, pembuatan nano partikel Fe3O4 juga dilakukan dengan perbandingan volume PEG-1000 dengan H2O. Agar diperoleh ukuran yang efektif atau pembentukannya tidak menurun, konsentrasi pembentukan maksimumnya diperoleh dengan
perbandingan 1:3. Hal ini diakibatkan viskositas yang tinggi dengan kandungan PEG yang tinggi. Penambahan PEG-1000 menghasilkan nano partikel Fe3O4 yang berbentuk nanorod dengan diameter 200 nm dengan panjang 2-3 µm (He,2007). Hasil ini berbeda dengan tugas akhir yang telah dilakukan. Ukuran kristal yang dihasilkan menjadi lebih kecil setelah penambahan PEG1000. Kemungkinan hal ini disebabkan konsentrasi PEG-1000 pada tugas akhir ini lebih besar dibandingkan dengan penelitian sebelumnya. Sehingga, sisi-sisi partikel Fe3O4 lebih banyak terlapisi PEG-1000 yang menyebabkan pertumbuhannya semakin terhambat. Jadi, meskipun mekanisme yang dilakukan hampir sama namun jumlah konsentrasi berbeda menyebabkan ukuran kristal yang dihasilkan juga berbeda.
partikel terhalang adanya PEG. Penambahan PEG-1000 juga menyebabkan persebaran ukuran partikelnya lebih monodisperse atau seragam/merata dibandingkan tanpa penambahan PEG-1000 yang mempunyai persebaran partikel polidisperse atau tidak seragam. Distribusi ukuran kristal Fe3O4 tanpa PEG yang tidak seragam disebabkan adanya partikel Fe3O4 merupakan partikel feromagnetik memiliki sifat magnet yang kuat, maka tiap-tiap partikel Fe3O4 akan cenderung mendekat dan beraglomerasi satu dengan lainnya sehingga membentuk sekumpulan partikel Fe3O4. Hal ini dapat ditunjukkan dari Grafik (a) partikel nano Fe3O4 yang mempunyai ukuran yang sangat bervariasi, dengan jangkauan ukuran yang sangat lebar. Yang artinya bersifat polidisperse. Grafik dengan penambahan PEG-1000 yaitu grafik (b), (c) dan (d) memiliki ukuran pada bersifat monodisperse. Partikel monodisperse tidak berarti ukuran partikelnya semuanya sama, tetapi variasi ukuran partikel sangat sempit. Grafik (b), (c) dan (d) memiliki bentuk grafik yang hampir sama, hal ini disebabkan karena ukuran partikel antara ketiganya tidak jauh berbeda.
Analisis Sifat Magnet
Gambar 4.4 Distribusi Ukuran Partikel Nano Fe3O4 (a) Tanpa PEG-1000, (b) Perbandingan PEG-1000 1:1, (c) Perbandingan PEG-1000 1:2, (d) Perbandingan PEG-1000 1:4.
PEG-1000 berpengaruh terhadap persebaran distribusi ukuran partikel nano Fe3O4. Hal ini disebabkan PEG-1000 yang berfungsi sebagai template berperilaku sebagai surfaktan. Dimana surfaktan merupakan senyawa yang mengandung sebuah hidrofilik atau kelompok pencari air (kepala) pada salah satu ujungnya dan sebuah hidrofobik atau kelompok penolak air (ekor) pada ujung yang lain. PEG yang merupakan sebuah oligomer yang mempunyai rantai seragam pendek, dapat dengan mudah diserap pada permukaan koloid metal oksida. Salah satu ujung rantai PEG yang bersifat hidrofilik akan menempel pada permukaan koloid magnetit dan ujung yang bersifat hidrofobik bebas. Pelapisan oleh PEG pada permukaan koloid menyebabkan pertumbuhan terhambat karena ruang gerak
Analisis sifat magnet dilakukan menggunakan alat VSM (Vibrating Sample Magnetometer) di laboratorium MagnetikBidang Zat Mampat-PTBIN-BATAN. Tipe VSM yang digunakan adalah VSM tipe Oxford VSM1.2H. Informasi yang didapatkan berupa besaran-besaran sifat magnetik sebagai akibat perubahan medan magnet luar yang digambarkan dengan kurva histeresis. Kurva histeresis dapat menunjukkan hubungan antara magnetisasi (M) dengan medan magnet luar (H). Besaran-besaran penting dalam menentukan sifat magnetik berdasarkan kurva hysteresis adalah magnetik saturasi (Ms), medan koersivitas (Mc) dan magnetisasi remanen (Mr). Nilai magnetisasi saturasi atau dikenal dengan magnetisasi jenuh menunjukkan kemampuan partikel nano untuk mempertahankan kesearahan domain-domain magnetiknya ketika masih dikenai medan magnet luar. Medan koersivitas merupakan besarnya medan yang dibutuhkan untuk membuat magnetisasinya bernilai nol. Semakin besar nilainya semakin kuat pula sifat kemagnetannya. Sedangkan magnetik
remanen menunjukkan kemampuan bahan ketika diberikan medan luar. Sifat magnetik dari Fe3O4 dapat ditunjukkan dari Gambar 4.5. Dari gambar dapat dilihat bahwa partikel nano Fe3O4 dengan dan tanpa penambahan PEG-1000 tergolong magnet lunak, karena dari kurva histeresis mempunyai urut balik yang hampir simetris ketika dikenai medan magnet maupun ketika medan magnet ditiadakan. Atau dapat dilihat dari luasan kurva histeresis yang sempit. Luasan kurva histeresis menunjukkan energi yang diperlukan untuk megnetisasi. Pada magnet lunak, untuk magnetisasi memerlukan energi yang sangat kecil. Dari gambar 4.5 dapat dilihat juga bahwa dengan atau tanpa penambahan PEG-1000, sifat dari partikel nano Fe3O4 sendiri tetap bersifat ferimagnetik. Meskipun ukuran kristalnya dibawah 10 nm yang dimungkinkan sifatnya berubah menjadi superparamagnetik. Suatu bahan dapat dikatakan bersifat superparamagnetik jika memiliki nilai Hc = 0. Hal ini dapat diketahui dari nilai Hc dari masing-masing sampel yang nilainya lebih dari nol. Nilai magnetisasi saturasi partikel nano Fe3O4 tanpa penambahan PEG-1000 sebesar 46,004 emu/gr, lebih tinggi dibandingkan Fe3O4 dengan penambahan PEG-1000. Hasil ini juga berbeda dengan nilai magnetisasi saturasi Fe3O4 dengan penambahan PEG-400 yang besarnya 34,2 emu/gr (Baqiya,2008) yang mempunyai ukuran kristal yang lebih besar dibandingkan dengan penambahan PEG-1000. Hal ini dapat disebabkan karena semakin kecil ukuran kristalnya jumlah domain magnetik dan batas domain magnetiknya juga semakin sedikit, akibatnya jumlah momen magnetiknya juga semakin sedikit sehingga nilai magnetisasi saturasinya juga mengecil.
Gambar 4.5
Kurva Histeresis Partikel Nano Fe3O4 (a) Tanpa PEG-1000, (b) Perbandingan PEG1000 1:1, (c) Perbandingan PEG-1000 1:2, (d) Perbandingan PEG-1000 1:4.
Untuk lebih jelasnya nilai magnetisasi saturasi, medan koersivitas dan magnetisasi remanen dari masing-masing sampel dapat dilihat pada Tabel 4.3. Tabel 4.3
Sampel Fe3O4 Fe3O4 dengan PEG 1:1 Fe3O4 dengan PEG 1:2 Fe3O4 dengan PEG 1:4
Nilai magnetisasi saturasi (Ms), medan koersivitas (Hc) dan magnetisasi remanen (Mr) untuk masing-masing sampel Ms Hc (emu/gr) (Tesla) 46,0 0,00835 42,0 -0,01
Mr (emu/gr) 40,1
38,0
0,00985
33,3
38,0
-0,0097
33,7
35,7
Berdasarkan Gambar 4.6, dapat dilihat bahwa semakin besar ukuran kristalnya, semakin besar pula nilai medan koersivitasnya. Nilai medan koersivitas dari partikel nano Fe3O4 tanpa penambahan PEG-1000 lebih tinggi, yaitu -0,0085 Tesla dibandingkan dengan penambahan PEG-1000. Sehingga partikel ini memiliki sifat magnetik yang lebih kuat dibanding dengan partikel nano Fe3O4 dengan penambahan PEG-1000. Hal ini menunjukkan hubungan yang kuat antara ukuran kristal dengan sifat magnetiknya. Semakin kecil ukuran kristal suatu bahan, maka kemungkinan besar bahan tersebut mempunyai domain magnet tunggal. Semakin
besar ukuran kristalnya, bahan tersebut cenderung mempunyai domain magnet jamak. Pada domain tunggal nilai medan koersivitasnya juga akan semakin mengecil dengan berkurangnya ukuran kristal.
Gambar 4.6
Grafik hubungan medan koersivitas Hc, magnetisasi remanen Mr dengan ukuran kristal
Selain itu Gambar 4.6 menunjukkan bahwa semakin besar ukuran kristal sampel, nilai magnetisasi remanennya juga semakin besar. Semakin besar nilai magnetisasi remanennya, magnetisasi sisa yang masih dimiliki oleh suatu bahan ketika tidak dipengaruhi medan magnet luar juga semakin besar. Besarnya sifat magnetik suatu bahan dapat dipengaruhi oleh beberapa faktor. Antara lain : ukuran dari momen magnetik, jumlah dan ukuran domain magnetiknya serta orientsai dari masing-masing domain. Kesimpulan Pembuatan partikel nano Fe3O4 dengan metode kopresipitasi menghasilkan partikel dengan ukuran 10,91 ± 0,3 nm. Penambahan PEG-1000 berpengaruh terhadap ukuran partikel yang dihasilkan. Penambahan PEG-1000 menyebabkan ukuran partikel nano Fe3O4 menjadi lebih kecil sekitar 6,5 ± 0,1 nm. Medan koersivitas dan magnetisasi remanen partikel nano Fe3O4 menurun dengan menurunya ukuran kristal dengan kecenderungan yang belum diketahui.
Daftar Pustaka Ahmad Taufiq, dkk. (2008). Sintesis Partikel Nano Fe Mn O Berbasis Pasir Besi 3-x
x
4
dan Karakterisasi Struktur serta Kemagnetannya, Jurnal Nanosains & Nanoteknologi volume 1. Aiguo, Yan. (2008). Solvothermal synthesis and characterization of size-controlled Fe3O4 nanoparticles , Journal Alloys and Compound 458 : 487 – 491. Anwar, Muhammad. (2007). Sintesis dan Karakterisasi Ferofluida Berbahan Dasar Pasir Besi menggunakan PEG400 sebagai Media Template. Laporan Tugas Akhir Jurusan Fisika. Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Baqiya, Malik Anjleh. (2008). Preparasi dan Partikel Nano Fe3O4 Pelapisannya pada Logam Non Magnetik. Laporan Tesis Jurusan Fisika. Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Callister, Jr, William D. (2007). Materials Science and Engineering An Introduction Seven Edition , John Wiley and Sons, Inc, United States of America. He, Kai, Cheng-Yan Xu, Laing Zhen, en-Zhu Shao. (2007). Hydrothermal Synthesis and Characterization of singlecrystalline Fe3O4 Nanowires with High Aspect Ratio and Uniformity. Materials Letters, volume 61. Jin Du, dkk. (2006). Hausmannite Mn3O4 Nanorods, Synthesis, Characterization and Magnetic Properties, Nanotechnology, volume 17. Institute of Physics Publishing. Kittel, C. (1996). Introduction to Solid State Physics. John Willey & Sons, Inc : New York. Kurniawan, Dimos. (2006). Sintesis Nanopartikel Ferrit MFe2O4 (M=Fe, Ni, Zn dan Mn) dari Pasir Besi dan Karakterisasinya sebagai Preparasi Fluida Magnet. Laporan Tugas Akhir Jurusan Fisika. Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Lian, Souyuan. (2003). Convenient synthesis of single crystalline magnetic Fe3O4 nanorods, Solid State Communications 127 605 – 608.
Mansilla, Vasquez M., Zysler, R.D., Arciprete, C., Dimitrijewits, M. (2001). Annealing Effects on Structural and Magnetic Properties of α-Fe2O3 Nanoparticles. Journal of Magnetism and Magnetic Material 226-230. Ulfa, Chairunisa. (2007). Sintesis Serbuk Ferit MFe2O4 (M=Fe, Ni, Zn dan Mn) Nanokristal Berfasa Tunggal. Laporan Tugas Akhir Jurusan Fisika. Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya. Zhang, D. E, dkk. 2005. Synthesis and Characterization of NiFe2O4 Magnetic Nanorods via a PEG – Assisted Route.
Journal of Magnetism and Magnetic Materials 292. ____________,2010. Pasir Besi Lumajang. http://www.lumajang.go.id dikutip pada tanggal [17 Februari 2010 jam 05.00 WIB]. ____________,2010. Poliethilen Glikol. http://www.wikipedia.org dikutip pada tanggal [17 Februari 2010 jam 05.00 WIB].
