Tabel 2. Sifat kristal dan magnetik dari -Fe 2 O 3 dan Fe 3 O 4. (Harris, 2002)

Transkripsi

1 3 2. Menganalisis sifat magnetik sebelum dan sesudah dipadukan dengan polimer PLA. 3. Mempelajari efek parameter berupa waktu proses sonikasi (emulsifikasi). Hasil yang diharapkan adalah terbentuknya nanosfer yang homogen, komposisi terkontrol, serta ukuran semakin kecil dapat diperoleh dengan peningkatan waktu sonikasi. Tabel 2. Sifat kristal dan magnetik dari -Fe 2 O 3 dan Fe 3 O 4. (Harris, 2002) Manfaat penelitian Nanosfer magnetik berbasis ferrofluid dan PLA yang dihasilkan dari penelitian ini akan digunakan dalam aplikasi biomedis yang lebih lanjut dapat digunakan dengan materi lain sesuai kebutuhan. TINJAUAN PUSTAKA Ferrofluid Ferrofluid merupakan larutan magnetik yang dibuat dari partikel magnetik berukuran nano (± 10 nm) berbentuk agak bulat, tersusun dari besi atau besi oksida seperti ditunjukkan pada Gambar 2, yang terdispersi dalam larutan dan membentuk koloid stabil. Ferrofluid tersusun dari partikel magnetik single domain dalam larutan non-magnetik (Ewijk et al., 2002). Terdapat beberapa bahan magnetik di alam, di antaranya Fe, Co, dan Ni yang memiliki sifat magnetik tinggi namun juga memiliki toksisitas yang tinggi. Ion Fe 2+ /Fe 3+ merupakan salah satu bahan magnetik yang dapat dikenali tubuh karena terdapat dalam hemoglobin dan dapat bersifat non-toksik hingga jumlah tertentu. Sebagai oksida, Fe dapat mempunyai beberapa bentuk fasa di antaranya yaitu FeO, α-fe 2 O 3, -Fe 2 O 3 dan Fe 3 O 4. Pada Tabel 1 ditampilkan respon magnetik fasa-fasa oksida diatas dan pada Tabel 2 sifat kristal dan magnetik dari -Fe 2 O 3 dan Fe 3 O 4. Terlihat bahwa di antara beberapa fasa Fe, magnetite dan hematite memiliki sifat magnetik yang tinggi, oleh karena itu magnetite (Fe 3 O 4 ) dan maghemite ( -Fe 2 O 3 ) lebih optimal digunakan dalam aplikasi biomedis (Harris, 2002). Tabel 1. Respon magnetik beberapa fasa oksida Fe (Harris, 2002). Gambar 2 Foto TEM ferrofluid dengan perbesaran x (Yulianti, 2008) Ferrofluid dalam pembuatannya membutuhkan surfaktan (surface active substance) untuk membuat permukaan besi oksida bersifat hidrofobik, yang dapat menjadikannya terdispersi tanpa membutuhkan energi mixing yang besar dari sonikasi. Surfaktan memiliki sisi hidrofilik dan sisi hidrofobik, maka ketika surfaktan melapisi permukaan besi oksida, sisi hidrofilik yang polar akan menempel pada permukaan besi oksida, sedangkan sisi hidrofobik yang non-polar akan menempel pada pelarutnya, sehingga besi oksida yang awalnya memiliki sifat mudah teroksidasi akan menjadi stabil dan membentuk magnetic fluid atau ferrofluid yang secara skematik ditunjukkan pada Gambar 3. Surfaktan akan mencegah terjadinya aglomerasi. Surfaktan harus sesuai sebagai tipe pembawa dan harus dapat mengatasi gaya magnet antar partikel. Ferrofluid dengan asam oleat sebagai surfaktan merupakan larutan oil base yang juga akan larut pada larutan yang bersifat oil base misalnya kloroform. (Leamy, 2003). Untuk memenuhi tuntutan aplikasi biomedis, maka partikel yang digunakan haruslah bersifat superparamagnetik yang akan bersifat magnet jika terdapat medan magnet luar, dan akan bersifat non-magnetik

2 4 Kristal Fe 3 O 4 Molekul Asam Oleat Gambar 3 ferrofluid dengan surfaktan. ketika medan magnet dihilangkan. Sifat superparamagnetik akan dimiliki Fe 3 O 4 / -Fe 2 O 3 dalam ukuran nano. Hal ini terkait dengan konsep domain dan multidomain. Dalam ukuran besar, partikel akan tersusun dalam struktur multi domain. Domain di sini didefinisikan sebagai satu dari beberapa daerah muatan magnetik dalam materi yang terdiri dari atom bermuatan dan bersama menentukan sifat magnet dengan susunannya. Domain ini memiliki dinding yang memisahkannya dengan daerah tetangganya, domain akan termagnetisasi spontan seragam dan berbeda dengan daerah tetangganya (Mifflin, 2009). Di bawah pengaruh medan magnet luar, H momen magnet dalam domain ini akan terarah sesuai arah medan magnet H dan pada kondisi maksimal/jenuh akan memberikan nilai magnetisasi saturasi, M s. Pada saat medan magnet luar dihilangkan akan tersisa magnetisasi sebesar M R (magnetisasi remanence). Untuk mencapai nilai M = 0 diperlukan medan balik sebesar H C (medan koersif). Partikel berukuran nano hanya dapat memiliki satu domain (single domain particle) tiap partikelnya. Domain ini akan terarah secara independen terhadap domain lain atau tidak terjadi interaksi antar domain sehingga domain lebih mudah diarahkan dengan medan magnet luar. Demikian juga pada waktu medan magnet luar dihilangkan, maka keterarahan akan lebih mudah hilang, dengan kata lain M R dan H C mendekati nol (Harris, 2002). Sifat magnet di atas dijelaskan pada Gambar 4 dan 5. Gambar 5 Skema domain terkait ukuran partikel (Harris, 2002) Polimer Polilaktat (PLA) PLA merupakan polimer sintetik yang dihasilkan dari pembukaan cincin laktida menggunakan katalis PbO, SbF, atau Sb 2 O 3 secara perlahan dengan suhu o C. Polimer ini tidak larut dalam air, tetapi larut dalam pelarut organik seperti kloroform dan diklorometana. Proses terjadi melalui pemutusan ikatan pada sambungan ester dari tulang punggung polimer. Struktur PLA ditunjukkan pada Gambar 6 (Alger, 1989). Polimer ini sangat efektif digunakan dalam aplikasi biomedis karena dapat didegradasi oleh proses hidrolisis dalam tubuh (biodegradabel), dan dalam waktu sekitar satu bulan akan diabsorbsi sehingga tidak meracuni tubuh (biokompatibel). Selain itu PLA dapat digunakan dalam targeted jaringan sasaran pengobatan dalam tubuh, sehingga pelepasan obat secara bertahap dapat dikendalikan dalam jangka waktu yang dapat dikendalikan. Telah banyak aplikasi PLA dalam biomedis, diantaranya : pembuatan organ buatan, benang bedah, dan sebagainya (Sudaryanto et al., 2007). Gambar 6 Struktur PLA Gambar 4 Kurva Histeresis

3 5 Polimer Polyvynil Alcohol (PVA) Polyvynil Alcohol adalah polimer yang terbentuk dari vinil alkohol. Ketika banyak vinil alkohol terhubung secara bersama membentuk polimer PVA yang panjang, yang ditunjukkan pada Gambar 7 (Mifflin, 2009). PVA berfungsi sebagai surfaktan yang membuat emulsi berjalan efektif. Gugus hidroksi dari PVA yang bersifat polar akan berikatan dengan molekul air, sedangkan rantai vinilnya yang bersifat non polar akan berikatan dengan molekul kloroform sehingga emulsi menjadi lebih stabil. Dalam penelitian ini PVA digunakan sebagai stabilizer atau pengemulsi. PVA digunakan untuk memisahkan antar bahan partikel magnetik yang terlapis polimer polilaktat (PLA) (Afandi et al., 2007). Metode Emulsi Metode emulsi merupakan metoda penggabungan antara dua atau lebih fluida yang immiscible (tidak tercampur secara sempurna) (Hielscher, 2005). Dalam emulsi terdapat dua fasa atau lebih, misalnya fasa air dan minyak. Fluida fasa pertama akan terdispersi dalam fluida fasa kedua dan membentuk koloid. Emusi air dalam minyak terbentuk ketika partikel air disebarkan (didispersikan) dalam minyak. Sedangkan emulsi minyak dalam air terbentuk ketika partikel minyak disebarkan (didispersikan) dalam air, hal ini tergantung dari perbandingan volume antar kedua fasa tersebut. Terdapat banyak produk industri yang merupakan emulsi minyak dalam air (o/w) atau air dalam minyak (w/o), diantaranya susu (o/w), mentega (w/o), cat latex (o/w), bahan dasar lantai (o/w), dan berbagai produk kosmetik dan medis. Untuk menjadikan emulsifikasi berjalan efektif, maka diperlukan pengemulsi atau surfaktan (surface active substance) dalam proses tersebut (Sudaryanto et al., 2007). Emulsi dapat dibuat dengan mengocok bersama dua fluida atau dengan penambahan tetes demi tetes fluida dengan fasa tertentu ke fluida lain yang berbeda fasa dengan beberapa gangguan, seperti irradiasi oleh gelombang ultrasonik dengan intensitas yang tinggi. Instensitas ultrasonik menghasilkan daya yang diperlukan untuk membubarkan fasa fluida (fasa terdispersi) dalam fasa kedua (Hielscher, 2005). Dalam penelitian ini proses emulsi minyak dalam air digunakan untuk membentuk nanosfer magnetik berbasis oksida besi-pla. Dalam hal ini PLA dan ferrofluid berperan sebagai fasa minyak (fasa 1), sedangkan PVA dan aquadest berperan sebagai fasa air (fasa 2). Dalam pembentukan ferrofluid diperlukan penstabil (surfaktan) agar dapat larut dan membentuk fasa minyak, salah satu pelarutnya adalah kloroform yang mana agar dapat larut di dalamnya, surfaktan yang tepat digunakan adalah asam oleat, permukaan nanopartikel magnetik distabilkan dengan asam oleat seperti pada Gambar 8 sehingga tidak mudah teroksidasi dan dapat larut dalam kloroform. Skema proses emulsifikasi ditunjukkan pada Gambar 9. Dalam proses emulsifikasi dengan menggunakan metode sonikasi, terbentuk gelembung yang mengembang-kempis, menyerap dan melepaskan energi sehingga nanopartikel magnetik dalam fasa minyak akan sehingga menjadi kecil (skala nanometer). Dengan penggunaan surfaktan, maka terbentuk emulsi stabil antara dua fasa dan terbentuklah nanopartikel. Gambar 8 Asam oleat menstabilkan permukaan nanopartikel magnetik Gambar 7 Struktur PVA Fasa 1 Fasa 2 Gambar 9 Skema proses emulsifikasi

4 6 Metode Sonikasi Gelombang ultrasonik merupakan gelombang longitudinal yang memiliki frekuensi 20 khz ke atas. Gelombang ultrasonik merupakan rambatan energi dan momentum mekanik, sehingga membutuhkan medium untuk merambat sebagai interaksi dengan molekul. Medium yang digunakan antara lain padat, cair dan gas (Tipler, 1990). Penggunaan gelombang ultrasonik (sonikasi) dalam pembentukan materi berukuran nano sangatlah efektif. Gelombang ultrasonik banyak diterapkan pada berbagai bidang antara lain dalam instrumentasi, kesehatan dan sebagainya. Salah satu yang terpenting dari aplikasi gelombang ultrasonik adalah pemanfaaatannya dalam menimbulkan efek kavitasi akustik. Efek ini akan digunakan dalam pembuatan bahan berukuran nano dengan metode emulsifikasi (Nakahira, 2007). Ketika gelombang ultrasonik menjalar pada fluida, terjadi siklus rapatan dan regangan. Tekanan negatif yang terjadi ketika regangan menyebabkan molekul dalam fluida tertarik dan terbentuk kehampaan, kemudian membentuk gelembung yang akan menyerap energi dari gelombang suara sehingga dapat memuai. Gelembung berosilasi dalam siklus rapatan dan regangan seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 10. Selama osilasi, sejumlah energi berdifusi masuk atau keluar gelembung. Energi masuk terjadi ketika regangan dan keluar ketika rapatan, di mana energi yang keluar lebih kecil daripada energi yang masuk, sehingga gelembung memuai sedikit demi sedikit selama regangan kemudian menyusut selama rapatan. Ukuran kritis gelembung ini disebut ukuran resonan yang tergantung pada fluida dan frekuensi suara. Dalam kondisi ini, gelembung tidak dapat lagi menyerap energi secara efisien. Tanpa energi input, gelembung Sound pressure Compression waves Changes in bubble size time Gambar 10 Proses rapatan dan regangan dalam kaitannya dengan osilasi kavitasi. tidak dapat mempertahankan dirinya, fluida di sekitarnya akan menekannya dan gelembung akan mengalami ledakan hebat, yang menghasilkan tekanan sangat besar hingga dianalogkan dengan tekanan di dasar lautan dan suhu yang sangat tinggi dianalogkan dengan suhu pada permukaan matahari. Gelembung inilah yang disebut sebagai gelembung kavitasi. Fenomena kavitasi ini terjadi pada satu titik dalam fluida. Tekanan dalam kavitasi diubah menjadi panas dengan sangat cepat, sedangkan fluida di sekitar kavitasi memiliki suhu yang jauh lebih rendah. Ketika panas dilepaskan saat kavitasi pecah, fluida di sekitarnya akan dengan sangat cepat mendingin dalam waktu kurang dari mikrosekon. Pemanasan dan pendinginan dalam waktu yang singkat ini memiliki kecepatan perubahan suhu 10 9 o C/s. Aliran turbulen dan gelombang kejut akibat kavitasi menyebabkan terjadinya tumbukan antar partikel dan pemanasan lokal pada titik tumbukan (Suslick, 1994). Dalam penelitian ini, efek kavitasi digunakan dalam proses emulsifikasi yang melibatkan polimer di dalamnya. Efek ultrasonik pada polimer adalah pemutusan dan pembentukan ikatan, sehingga memungkinkan terjadi perubahan struktur. Dalam proses kavitasi terbentuk gelembung yang berasal dari salah satu fasa yang didispersikan dalam fasa yang lain, di mana gelembung kavitasi merupakan fasa minyak yang didispersikan dalam fasa air karena memiliki volume yang lebih rendah. Dengan efek pecahnya kavitasi, maka emulsifikasi yang disebabkan oleh penjalaran ultrasonik akan efektif dengan terdispersinya fasa minyak yang mengandung agregat nanosfer dalam fasa air, sehingga nanosfer yang telah terbentuk dapat terdispersi stabil. Bentuk dan ukuran gelembung akan mempengaruhi bentuk dan ukuran nanopartikel yang terbentuk (Hielscher, 2005). Gelombang kejut dapat memisahkan penggumpalan partikel (agglomeration) dan terjadi dispersi sempurna dengan penambahan pengemulsi/surfaktan sebagai penstabil. Ukuran gelembung kavitasi saat kesetimbangan (R 0 ) terkait dengan proses ultrasonik dipengaruhi oleh beberapa parameter, diantaranya waktu (t), tekanan akustik (P A ), kerapatan fluida (ρ), jarak radial (r), viskositas fluida (μ) dan frekuensi angular resonansi radial (ω r ) yang ditunjukkan dengan Persamaan 1. Dalam penelitian ini, parameter yang dipelajari keterkaitannya

5 7 dengan ukuran gelembung kavitasi yaitu waktu sonikasi. (1) Persamaan di atas sesuai dengan persamaan dasar gelombang teredam, dan adanya elemen frekuensi angular resonansi radial (ω) menunjukkan bahwa dalam sistem juga terjadi resonansi (Neppiras, 1980). Dalam proses sonikasi terjadi siklus peredaman gelombang di mana terjadi penurunan energi mekanik terhadap waktu dan resonansi, ketika frekuensi gelombang mendekati frekuensi gelembung kavitasi ( ), gelembung akan pecah (Tipler, 1990). Suspensi dalam larutan menghasilkan kecepatan tumbuk antar partikel yang dapat merubah morfologi permukaan, komposisi, dan reaktivitas (Suslick, 1990). Semakin lama proses sonikasi ini akan menyamaratakan energi yang diterima partikel di seluruh bagian sisi larutan, sehingga ukuran partikel semakin homogen. Identifikasi Fasa dengan XRD Fasa sampel ditentukan dengan teknik difraksi sinar-x (X-Ray Diffraction) menggunakan emisi (pemancaran) gelombang elektromagnet yang dihasilkan dari tumbukan antara elektron dan sasaran, di antaranya Cr, Fe, Co, Cu, Mo atau W (Cullity, 1956). Ketika foton sinar-x bertumbukan dengan elektron, beberapa foton hasil tumbukan akan mengalami pembelokan dari arah datang awal. Pada Gambar 11 terlihat bahwa sinar-x didistribusikan secara kontinyu dan spesifik untuk setiap panjang gelombang sasaran. Sinar-X ini yang digunakan untuk pengukuran sebagai hamburan sinar-x yang membawa informasi distribusi elektron dalam material. Struktur sampel yang dapat dianalisis meliputi kekristalan, parameter kisi, dan orientasi khusus. Analisis ini juga digunakan untuk mengidentifikasi campuran sampel yang berada pada fasa semi kuantitatif. Ketika sinar-x ditransmisikan, sampel dapat terkarakterisasi. Hal ini menunjukkan bahwa sinar-x akan diubah dan diserap menjadi beberapa bentuk energi (Connolly, 2007). Gambar 11 Prinsip pada Tabung Sinar-X Gambar 12 Hukum Bragg Interaksi sinar-x dengan sampel menimbulkan difraksi sekunder yang dihubungkan dengan jarak interplanar dalam serbuk kristal sesuai dengan Hukum Bragg pada Persamaan 2 yang mengacu pada Gambar 12 : (2) di mana merupakan bilangan bulat, merupakan panjang gelombang sinar-x, merupakan jarak interplanar penyebab difraksi, merupakan sudut difraksi. Besaran dan dihitung dalam satuan yang sama (pada umumnya dalam angstroms) (Cullity, 1956). Difraksi sekunder akibat interaksi sinar-x dengan sampel akan memiliki intensitas yang mana semakin teratur struktur kristal, semakin tinggi puncak (peak) intensitas yang diperoleh. Intensitas tersebut kemudian dikonversi untuk kemudian didapatkan jarak interplanar (d) dalam serbuk kristal sesuai dengan Hukum Bragg. Jarak tersebut kemudian dibandingkan dengan data JCPDS-ICDD sehingga dapat diketahui fasa suatu bahan. Mikrostruktur Fasa dengan SEM Mikroskop elektron adalah alat deteksi yang menggunakan sinar elektron berenergi tinggi untuk melihat objek pada skala yang sangat kecil, yang secara skematik digambarkan pada Gambar 13. Scanning Electron Microscope (SEM) memberikan penjelasan yang detail dari permukaan, memberikan informasi mengenai ukuran dan bentuk yang homogen atau tidak dari bahan nanopartikel. Terdapat pemercepat elektron (electron gun) dalam SEM untuk memproduksi elektron dengan menghasilkan pancaran elektron, serta lensa-lensa elektromagnetik yang dihubungkan dengan sistem kondensor. Lensa-lensa tersebut dioperasikan fokus pada permukaan sampel.

6 8 Electron gun vibrator Vibrator control Electron beam Condenser lens Temperature control Amplificator Magnet control COMPUTER Detector Sample Gambar 13 Skema SEM Lensa pemfokus pertama menghasilkan pancaran dan batas arus, pada celah lensa berfungsi untuk mengurangi pembelokan sudut. Lensa pemfokus kedua membentuk pelemahan (pancaran sinar koheren), celah lensa dikendalikan untuk mengurangi pembelokan sudut dari pancaran lensa pertama (Gabriel, 1985). Tembakan elektron hanya mengenai sampel pada daerah yang sangat kecil. Elektron direfleksikan dari sampel atau diserap oleh sampel secara elastis dan memberinya elektron sekunder dengan energi sangat rendah bersamaan dengan sinar-x. Elektron-elektron tersebut terserap dan meningkatkan emisi cahaya tampak, kemudian meningkatkan arus listrik pada sampel. Hal ini dapat menghasilkan gambar yang terbentuk dari elektron sekunder yang berenergi rendah (Gabriel, 1985). Identifikasi Sifat Magnetik dengan Vibrating Sample Magnetometer (VSM) Vibrating Sample Magnetometer (VSM) merupakan salah satu jenis peralatan yang digunakan untuk mempelajari sifat magnetik bahan. Dengan alat ini akan dapat diperoleh informasi mengenai besaran-besaran sifat magnetik sebagai akibat perubahan medan magnet luar yang digambarkan dalam kurva histeresis, sifat magnetik bahan sebagai akibat perubahan suhu, dan sifat-sifat magnetik sebagai fungsi sudut pengukuran atau kondisi anisotropik bahan. Skema prinsip kerja VSM digambarkan pada Gambar 14 (Mujamilah et al., 2000). sample coil magnet Gambar 14 Skema prinsip kerja VSM Salah satu keistimewaan VSM adalah merupakan vibrator elektrodinamik yang dikontrol menggunakan arus balik. Sampel dimagnetisasi dengan medan magnet homogen. Jika sampel bersifat magnetik, maka medan magnet akan memagnetisasi sampel dengan meluruskan domain magnet. Momen dipol magnet sampel akan menciptakan medan magnet di sekitar sampel, yang biasa disebut magnetic stray field. Ketika sampel bergetar, magnetic stray field dapat ditangkap oleh coil. Medan magnet tersebar tersebut akan menginduksi medan listrik dalam coil yang sebanding dengan momen magnetik sampel. Semakin besar momen magnetik, maka akan menginduksi arus yang makin besar. Dengan mengukur arus sebagai fungsi medan magnet luar, suhu maupun orientasi sampel, berbagai sifat magnetik bahan dapat dipelajari (Niazi, 2000). Dalam penelitian ini, nilai magnetisasi diukur selain untuk mengetahui kemampuan magnetik nanosfer yang dihasilkan juga untuk mendapatkan informasi komposisi nanosfer. BAHAN DAN METODE Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian ini dilakukan di Pusat Teknologi Bahan Industri Nuklir Badan Tenaga Nuklir Nasional (PTBIN-BATAN) kawasan PUSPITEK Serpong. Waktu yang diperlukan untuk penelitian ini yaitu dari Februari hingga Juni Alat dan Bahan Bahan yang digunakan dalam penelitian ini yaitu 10 gram PLA, 5 gram PVA, 6 gram ferrofluid, 150 ml kloroform dan aquadest. Alat yang digunakan antara lain ultrasonic probe (ultrasonic processor model 750 VCX), neraca analitik (electronic balance ER 180 A),