BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Masalah Nanoteknologi adalah ilmu dan rekayasa dalam penciptaan material dan struktur fungsional dalam skala nanometer. Perkembangan nanoteknologi selalu dikaitkan dengan riset mengenai material yang berukuran nano atau disebut juga nanomaterial. Nanomaterial sendiri diklasifikasikan menjadi tiga, yaitu : material nano particle, material nano wire, dan material thin films (Fernandez, 2011). Salah satu nanomaterial yang sedang menjadi perhatian peneliti sekarang ini adalah nanopartikel. Nanopartikel merupakan material yang memiliki ukuran kurang dari 100 nanometer (nm). Nanopartikel memiliki beberapa sifat kimia dan fisika yang lebih unggul dibandingkan dengan material berukuran besar (bulk). Sifat fisika dari nanopartikel yang antara lain sifat magnet, listrik, optik, mekanik dan termal menarik untuk dipelajari dan diteliti untuk kemudian dimanfaatkan dalam berbagai bidang seperti rekayasa material, elektronik, magnetik, dan biomedis. Nanopartikel magnetik, nanopartikel emas dan nanopartikel silica merupakan beberapa contoh dari nanopartikel magnetik (Abdullah, 2009). Aplikasi nanopartikel magnetik dalam bidang medis antara lain sebagai drug delivery, efisien hyperthermia untuk terapi kanker, dan Magnetic Resonance Imaging (MRI). Dalam bidang industri digunakan sebagai katalis, sensor, penyimpan data dalam bentuk CD atau harddisk, pigmen warna serta teknologi pemanas atau pendingin. Nanopartikel magnetik merupakan material magnetik yang hanya memiliki satu domain magnetik (single domain). Beberapa sifat nanopartikel magnetik bergantung pada ukurannya. Sebagai contoh, ketika ukuran suatu nanopartikel magnetik di bawah 10 nm, akan bersifat superparamagnetik pada temperatur ruang, artinya bahwa energi termal dapat menghalangi anisotropi energi penghalang dari sebuah nanopartikel tunggal (Perdana dkk., 2011). Sifat
2 superparamagnetik merupakan sifat material yang memiliki magnetisasi tinggi ketika diberi medan magnet eksternal, namun ketika tidak ada medan magnet eksternal nilai magnetisasi rata-ratanya adalah nol. Sifat superparamagnetik ini muncul pada umumnya dari ferromagnetik dan ferrimagnetik dengan ukuran material sangat kecil (orde nanometer) (Setiadi dkk., 2013). Oleh karena itu, beberapa metode sintesis dilakukan dengan mengatur ukurannya agar diperoleh nanopartikel yang seragam. Banyak metode yang dapat dilakukan untuk mensintesis nanopartikel magnetik, diantaranya adalah metode sol-gel, flash combustion, kopresipitasi, mikroemulsi, hidrotermal, dan lain-lain. Masing-masing metode memiliki kekurangan dan kelebihan tersendiri. Penelitian ini digunakan metode kopresipitasi karena proses sintesisnya menggunakan suhu yang rendah dan ukuran partikel dapat dikontrol sehingga waktu yang dibutuhkan relatif lebih singkat. Metode kopresipitasi sendiri merupakan metode sintesis senyawa anorganik yang didasarkan pada pengendapan lebih dari satu substansi secara bersama sama ketika melewati titik jenuhnya. Beberapa zat yang umum digunakan sebagai pengendap dalam metode ini adalah hidroksida, karbonat, sulfat dan oksalat (Fernandez, 2011). Terdapat beberapa oksida besi di alam antara lain magnetite (Fe 2 O 4 ), maghemite (γ-fe 2 O 3 ) dan hematite (α-fe 2 O 3 ). Magnetite merupakan salah satu partikel magnetik yang dapat dijadikan berukuran nanopartikel. Magnetite dikenal sebagai oksida besi hitam (black iron oxide) atau ferrous ferrite dan merupakan oksida logam yang paling kuat sifat magnetiknya. Pada suhu kamar, magnetik bulk Fe 3 O 4 membentuk kristal dalam struktur spinel terbalik (invers). Spinel merupakan struktur kristal yang tersusun dari dua sub struktur, yaitu struktur tetrahedral (bagian A) dan struktur oktahedral (bagian B). Spinel invers terbentuk apabila semua ion logam divalen menempati posisi B, sedangkan setengah ion-ion logam trivalen menempati posisi B dan setengah yang lain menempati posisi A. Spinel ferrite memiliki formula dan sifat optik, mekanik, termal dan magnetik. Sifat-sifat ini dikendalikan oleh difusi kation antara tetrahedral-a dan oktahedral-b (Salabas, 2004).
3 Manganese ferrite (MnFe 2 O 4 ) termasuk spinel ferrite yang merupakan salah satu jenis material soft ferrite yang bersifat magnetik dan memiliki struktur spinel kubik (Mozzafari dkk., 2008). Material bulk manganese ferrite (MnFe 2 O 4 ) terdiri dari 80% kation Mn pada struktur tetrahedral (bagian A) dan 20% pada struktur oktahedral (bagian B) yang membuat MnFe 2 O 4 memiliki struktur spinel ferrite. Pergerakan dari kation dan anion sangat penting dan secara langsung mempengaruhi distorsi dalam sistem (Chinnasamy dkk., 2007). Nanopartikel MnFe 2 O 4 telah banyak diaplikasikan dalam berbagai bidang seperti perangkat microwave, chip memori komputer, media perekaman magnetik, inti transformator, antena batang dan berbagai alat telekomunikasi dan elektronik lainnya karena memiliki proses pembuatan yang mudah dan karakteristik magnetik yang baik. Nanopartikel MnFe 2 O 4 juga berpotensi digunakan pada terapi hipertemia dengan melibatkan pengenalan nanopartikel magnetik ke dalam jaringan (Mozzafari dkk., 2008). Nanopartikel MnFe 2 O 4 juga digunakan untuk membentuk ultrasensitive Magnetic Resonance Imaging (MRI) contrast agent untuk pencitraan hati (Lu dkk., 2009). Pada penelitian ini akan dilakukan sintesis nanopartikel MnFe 2 O 4 menggunakan metode kopresipitasi dan melakukan proses fungsionaliasi menggunakan polyethylene glycol-4000 (PEG-4000). Metode kopresipitasi dipilih karena prosedur, bahan-bahan dan cara kerjanya yang relative sederhana, distribusi ukuran partikel yang dihasilkan relatif kecil serta waktu yang dibutuhkan untuk sintesis relatif singkat. Pada proses fungsionalisasi nanopartikel dibutuhkan modifikasi yang efisien dan efektif. Salah satu zat yang dapat digunakan untuk membentuk dan sekaligus mengontrol ukuran dan struktur pori dari partikel adalah polyethylene glycol (PEG). Polyethylene-glycol 4000 (PEG- 4000) memiliki sifat yang stabil, mudah bercampur dengan komponen-komponen lain, tidak beracun, dan tidak iritatif. Dalam peran ini PEG dapat berfungsi sebagai template, yang membungkus partikel sehingga tidak terbentuk agregat lebih lanjut, dikarenakan PEG menempel pada permukaan partikel dan menutupi ion positif yang bersangkutan untuk bergabung dan membesar, sehingga pada
4 akhirnya akan diperoleh partikel dengan bentuk bulatan yang seragam (Perdana, 2010). Dalam penelitian ini akan dilakukan analisis gugus fungsi pada nanopartikel MnFe 2 O 4. Analisis gugus fungsi ini bertujuan untuk mengetahui struktur molekul dari nanopartikel MnFe 2 O 4. Jika suatu radiasi gelombang elektromagnetik mengenai suatu materi, maka akan terjadi suatu interaksi, diantaranya berupa penyerapan energi (absorpsi) oleh atom-atom atau molekulmolekul dari materi tersebut. Absorpsi sinar ultraviolet dan cahaya tampak akan mengakibatkan tereksitasinya elektron. Sedangkan absorpsi radiasi inframerah, energinya tidak cukup untuk mengeksitasi elektron, namun menyebabkan peningkatan amplitudo getaran (vibrasi) atom-atom pada suatu molekul. Hal yang sangat unik pada penyerapan radiasi gelombang elektromagnetik adalah bahwa suatu senyawa menyerap radiasi dengan panjang gelombang tertentu bergantung pada struktur senyawa tersebut. Salah satu metode spektroskopi yang sangat populer adalah metode spektroskopi FTIR (Fourier Transform Infrared), yaitu spektroskopi inframerah yang dilengkapi dengan transformasi Fourier untuk analisis hasil spektrumnya. Metode spektroskopi yang digunakan adalah metode absorpsi, yaitu metode spektroskopi yang didasarkan atas perbedaan penyerapan radiasi inframerah. Absorbsi inframerah oleh suatu materi dapat terjadi jika dipenuhi dua syarat, yaitu kesesuaian antara frekuensi radiasi inframerah dengan frekuensi vibrasional molekul sampel dan perubahan momen dipol selama bervibrasi. Analisis gugus fungsi suatu sampel dilakukan dengan membandingkan pita absorbsi yang terbentuk pada spektrum infra merah menggunakan tabel korelasi dan menggunakan spektrum senyawa pembanding (yang sudah diketahui). Dengan demikian diharapkan identifikasi gugus fungsi dapat dilakukan dengan efektif (Anam dkk, 2007).
5 1.2 Rumusan Masalah Adapun rumusan masalah penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Bagaimana melakukan sintesis nanopartikel MnFe 2 O 4 dengan metode kopresipitasi dan melakukan proses fungsionalisasi nanopartikel MnFe 2 O 4 dengan PEG-4000. 2. Bagaimana mekanisme bonding gugus fungsi (pengikatan) antar atom setelah difungsionalisasi dengan beberapa variasi konsentrasi PEG-4000 pada nanopartikel MnFe 2 O 4. 1.3 Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini adalah menekankan pada kajian sintesis nanopartikel MnFe 2 O 4 dengan metode kopresipitasi, pengaruh fungsionalisasi nanopartikel menggunakan PEG-4000 dengan variasi 1:1; 2:1; 3:1; 1:2; 1:3; dan 1:4, struktur kristal, ukuran butir dan analisa gugus fungsi nanopartikel MnFe 2 O 4 dengan menggunakan X-Ray Diffraction (XRD), Transmission Electron Microscopy (TEM) dan Fourier Transform Infra-Red Spectroscopy (FTIR). 1.4 Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Menentukan gugus fungsi nanopartikel MnFe 2 O 4 yang disintesis dengan metode kopresipitasi dan memvariasi presentase PEG-4000 dalam proses fungsionalisasinya. 2. Mempelajari mekanisme bonding antar atom setelah pemberian PEG-4000 dengan konsentrasi yang bervariasi pada nanopartikel MnFe 2 O 4. 1.5 Manfaat Penelitian Manfaat dari penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi terkait sifat magnet pada nanopartikel MnFe 2 O 4 sebelum dan setelah dicoating dengan PEG-4000, seperti ukuran butir, struktur kristal dan gugus fungsinya.
6 Sehingga hasil tersebut dapat dijadikan sebagai acuan untuk penelitian selanjutnya serta memberikan sumbangsih yang besar untuk kemajuan perkembangan ilmu pengetahuan dan teknologi. 1.6 Sistematika Penulisan Skripsi Penulisan skripsi ini dibagi menjadi 6 bab yaitu : pendahuluan, tinjauan pustaka, dasar teori, metode penelitian, hasil dan pembahasan, kesimpulan dan saran serta lampiran. BAB I merupakan pendahuluan yang menjelaskan latar belakang dilakukannya penelitian mengenai sintesis dan karakterisasi nanopartikel MnFe 2 O 4 serta fungsionalisasi dengan PEG-4000, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan, manfaat, dan sistematika penulisan skripsi. BAB II berisi tinjauan pustaka yang menjelaskan tentang penelitian sebelumnya yang berhubungan dengan fabrikasi nanopartikel MnFe 2 O 4 dan fungsionalisasi nanopartikel dengan PEG. BAB III berisi dasar teori yang berkaitan dengan terminologi sifat kemagnetan, jeenis-jenis sifat magnet pada material, nanopartikel magnetik dan sifat superparamagnetik, metode sintesis dengan kopresipitasi, karakterisasi material, sifat-sifat nanopartikel MnFe2O4, dan PEG. BAB IV menjelaskan metode penelitian yang mencakup alat dan bahan yang digunakan dalam proses fabrikasi nanopartikel MnFe 2 O 4 yang kemudian difungsionalisasi dengan PEG-4000, langkah kerja yang dilakukan dalam penelitian serta teknik pengolahan data. BAB V memuat hasil yang diperoleh dari setiap proses penelitian yang dilakukan dan pembahasan. BAB VI memuat kesimpulan dari hasil penelitian dan saran untuk penelitian selanjutnya. Daftar pustaka berisi seluruh pustaka yang diacu oleh penulis dan lampiran yang berisi data-data yang diperoleh dalam penelitian.