1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Ilmu yang mempelajari fenomena dan manipulasi material pada skala atomik, molekular, dan makromolekular disebut sebagai nanosains. Hal ini diklasifikasikan sendiri karena pada skala atomik sifat-sifat material akan berbeda dengan sifat-sifatnya pada skala besar/bulk (Türk dkk, 2014). Salah satu kajian dalam nanosains adalah nanopartikel magnetik. Kajian utama pada nanomaterial ini adalah sifat kemagnetannya. Magnetisasi (per atom) dan anisotropi magnetik dari nanopartikel magnetik berbeda dengan material bulknya, serta memiliki perbedaan suhu Curie (T c ) dan suhu Neel (TN). Selain itu pada nanopartikel magnetik ditemukan sifat yang menarik seperti giant magnetoresistance (GMR), efek magnetokalorik yang besar, dan lain-lain (Gubin dkk, 2005). Sifat lain yang istimewa pada nanopartikel magnetik adalah superparamagnetik. Sifat superparamagnetik merupakan sifat yang muncul pada nanopartikel berorde satu domain magnetik, sehingga konsekuensinya partikel tersebut akan sangat reaktif terhadap medan magnetik luar. Namun jika medan magnetik luar dihilangkan maka sifatnya akan mirip dengan material paramagnetik. Fenomena akan sangat bergantung pada diameter dan efek permukaan yang mendominasi sifat nanopartikel magnetik tersebut (Wu dkk, 2010). Dengan sifat-sifatnya yang istimewa, nanopartikel magnetik telah luas digunakan dalam berbagai bidang seperti: rekasi kimia (katalis), mineralogi (seperti pemilihan biji besi), informasi (data penyimpan), bidang lingkungan (konsentrasi polutan), dan lain-lain. Berdasarkan pada sifatnya yang dapat dipengaruhi medan magnetik, biokompatibel, biodegradabel, dan memiliki gugus fungsional, nanopartikel magnetik dapat dengan mudah dikonjugasi dengan banyak molekul fungsional seperti enzim, antibodi, sel, DNA, dan RNA. Selain itu ukurannya hampir sama dengan ukuran sel (10-100 nm), virus (20-450 nm), protein (5-50 nm) dan DNA double helix (2 nm). Aplikasi nanopartikel magnetik pada bidang medis 1
2 adalah menghantarkan obat dan gen, biodeteksi dari patogen, deteksi protein, menyelidiki struktur DNA, hipertermia, dan lain lain (D Agostino, 2009). Copper ferrite (CuFe2O4) merupakan salah satu dari berbagai jenis nanopartikel magnetik. Nanopartikel CuFe2O4 memiliki struktur kristal spinel terbalik. Beberapa metode yang digunakan untuk mensintesis nanopartikel CuFe2O4 adalah reaksi zat mampat (solid state reaction), proses sol-gel, pembakaran, metode hidrotermal, mikroemulsi, kopresipitasi, dan proses transformasi termal (Naseri dkk, 2014). Diantara metode tersebut, yang paling sederhana dan produktif adalah metode kopresipitasi. Metode ini merupakan salah satu metode sintesis senyawa anorganik yang didasarkan pada pengendapan lebih dari satu substansi secara bersama-sama ketika melewati titik jenuhnya. Kelebihan metode ini adalah prosesnya pada suhu kamar, waktu reaksi relatif singkat dan menggunakan aquades sebagai pelarut (Nedkov dkk, 2006 dan Mizukoshi dkk, 2009). Nanopartikel CuFe2O4 biasanya diaplikasikan sebagai katalis karena termasuk material yang mudah dipisahkan dari reaksi pencampuran dengan menggunakan medan magnetik luar, mudah didispersi dalam beberapa pelarut, memiliki stabilitas yang tinggi, dan nanopartikel CuFe2O4 memiliki sifat ramah lingkungan (Kumar dkk, 2014). Katalisator merupakan zat yang digunakan untuk mempercepat terjadinya reaksi kimia dan setelah reaksi selesai, katalisator dapat diambil kembali. Selama ini penelitian nanopartikel CuFe2O4 difokuskan sebagai katalis, aplikasinya pada bidang lain belum dimaksimalkan, oleh karena itu perlu dikaji terkait potensi aplikasi nanopartikel CuFe2O4 pada bidang lainnya. Nanopartikel CuFe2O4 berpotensi diaplikasikan pada berbagai bidang yang lainnya. Namun hal penting yang dilakukan pada nanopartikel CuFe2O4 sebelum diaplikasikan adalah dilakukan enkapsulasi atau fungsionalisasi terhadap permukaannya, enkapsulasi memberikan peran penting saat nanopartikel CuFe2O4 berinteraksi dengan lingkungan di sekitarnya. Enkapsulasi memiliki fungsi seperti mampu mencegah nanopartikel CuFe2O4 dari penggumpalan (aglomerasi) saat berada pada medium cair, dapat lebih mudah mengikat ligan atau biomolekul, meningkatkan stabilitas termal nanopartikel CuFe2O4, serta mampu mengurangi
3 sifat beracun nanopartikel saat berada pada medium fisiologis. Oleh karena itu para peneliti biasanya menggunakan molekul-molekul polimer atau zat biokompatibel lainnya untuk mengenkapsulasi nanopartikel magnetik supaya meningkatkan stabilitas koloidalnya dalam medium fisiologis, serta untuk mereduksi sifat racunnya (Yang dkk, 2014). Zat-zat yang biasa digunakan untuk enkapsulasi nanopartikel magnetik adalah polyethylene glycol (PEG), alginate, polyester sintetik, polyethylenimine, silika (SiO2), kitosan, polyvinyl alcohol (PVA) dan emas (Rahimi dkk, 2013). Kitosan merupakan polimer alami yang serbaguna, polimer ini sering digunakan dalam formulasi-formulasi farmasi. Kitosan larut dalam larutan asam organik dan terbatas untuk asam anorganik. Kitosan memerlukan waktu yang lama dalan proses enkapsulasi material, diperlukan waktu dari 25 jam sampai 90 jam untuk melakukan proses enkapsulasi (Bansal dkk, 2011). Sedangkan enkapsulasi nanopartikel dengan PVA memerlukan proses yang banyak, nanopartikel dimasukkan ke dalam 30 cc dari hexane dengan pengaruh ultrasonik yang konstan, setelah 30 menit PVA dimasukkan ke dalam larutan dan dibiarkan selama 15 menit. Kemudian larutan dikeringkan pada suhu 100 o C selama 4 jam. Enkpasulasi PVA mengakibatkan diameter butir nanopartikel magnetik meningkat (Rahimi dkk, 2013). Dibandingkan dengan kitosan dan PVA, silika (SiO2) dan PEG merupakan senyawa yang memiliki banyak kelebihan serta proses enkapsulasi yang mudah. Kelebihan silika yang mengenkapsulasi nanopartikel magnetik adalah lebih mudah didispersi dalam medium cairan dengan cara penyaringan magnetik. Silika juga melindungi nanopartikel magnetik dari pencucian dalam keadan asam, lebih mudah untuk diaktivasi, dan menghasilkan permukaan dengan berbagai macam grup-grup fungsional. Hal ini dikarenakan oleh keberadaan grup-grup silanol yang melimpah pada lapisan silika. Peran yang paling penting dalam silika adalah permukaannya berupa permukaan inert (tidak dapat bereaksi secara kimia) sehingga tidak akan berdampak negatif saat nanopartikel magnetik berada dalam sistem biologis (Ahmad dkk, 2010). Prekursor merupakan zat yang digunakan saat proses enkapsulasi nanopartikel magnetik sehingga setelah proses enkpasulasi selesai,
4 diperoleh nanopartikel magnetik yang dienkapsulasi silika. Prekursor silika memiliki beberapa jenis seperti tetra ethyl ortho silicate (TEOS) dan sodium silicate (Na2SiO3). TEOS dan sodium silicate merupakan bahan non-magnetik. Prekursor TEOS biasanya digunakan untuk mengenkapsulasi berbagai jenis material (magnetik maupun non-magnetik), dari ukuran kecil (nanometer) sampai ukuran besar (meter). Prekursor TEOS mampu meningkatkan kohesi (kepaduan) material yang dienkapsulasinya (Kim dkk, 2009 dan Bora, 2015). Namun harga TEOS mahal serta memiliki sifat beracun yang tinggi (Essien dkk, 2012). Berbeda dengan TEOS, sodium silicate harganya yang murah, mudah diperoleh, serta sifat racunnya lebih rendah daripada TEOS. Sodium silicate merupakan prekursor dengan proses enkapsulasi yang lebih sederhana, tidak dipadukan dengan bahan lain untuk enkapsulasi, serta enkapsulasi dilakukan pada suhu kamar. PEG adalah senyawa polimer dan non-magnetik, PEG merupakan salah satu senyawa yang sering digunakan karena memiliki rantai polimer yang panjang, cepat larut dalam air dan tidak beracun dalam darah, sehingga sering dipakai dalam dunia medis (Yang dkk, 2014 dan Anbarasu dkk, 2015). PEG memiliki banyak jenis, mulai dari PEG 200, 400, 600, 1000, sampai dengan PEG-8000. Dari sekian banyak jenis PEG yang paling mudah diperoleh dan paling murah adalah PEG-4000. Berdasarkan paragraf-pargraf di atas perlu dilakukan enkapsulasi nanopartikel CuFe2O4, karena enkapsulasi memfungsionalisasi nanopartikel CuFe2O4 sehingga bisa diaplikasikan pada berbagai bidang. Selama ini belum ada yang menggunakan PEG-4000 dan silika (prekursor sodium silicate) sebagai bahan enkapsulasi pada nanopartikel CuFe2O4. PEG-4000 dan silika merupakan bahan yang berbeda sifat kemagnetannya dengan CuFe2O4 sehingga jika senyawa ini melapisi nanopartikel CuFe2O4 maka akan mempengaruhi sifat kemagnetan nanopartikelnya. Oleh karena itu pada penelitian ini akan dilakukan sintesis nanopartikel CuFe2O4 dengan metode kopresipitasi kemudian dienkapsulasi dengan PEG-4000 dan silika. Penelitian ini fokus pada struktur kristal dan kajian sifat kemagnetan pada nanopartikel CuFe2O4 baik sebelum dan setelah dienkpasulasi PEG-4000 dan silika.
5 1.2 Rumusan Masalah Berdasarkan latar belakang di atas, rumusan masalah dalam penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana struktur kristal dan sifat kemagnetan nanopartikel CuFe2O4 sebelum dan setelah dienkapsulasi dengan PEG-4000 dan silika? 2. Bagaimana pengaruh konsentrasi PEG-4000 dan prekursor sodium silicate terhadap sifat kemagnetan nanopartikel CuFe2O4? 1.3 Tujuan penelitian Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut: 1. Menganalisis struktur kristal dan sifat kemagnetan nanopartikel CuFe2O4 baik sebelum dan setelah dienkapsulasi dengan PEG-4000 dan silika. 2. Mengukur pengaruh konsentrasi PEG-4000 dan prekursor sodium silicate terhadap sifat kemagnetan nanopartikel CuFe2O4 1.4 Ruang Lingkup Penelitian 1. Sintesis nanopartikel CuFe2O4 dengan metode kopresipitasi pada suhu 50 o C 2. Nilai konsentrasi PEG-4000 terhadap nanopartikel CuFe2O4 adalah 25, 33, 50, 66, 75, dan 80%. Sedangkan sodium silicate divariasi konsentrasinya terhadap nanopartikel CuFe2O4 dalam aquades sebanyak 6 kali variasi mulai dari 5, 10, 15, 20, 30, dan 50%. 3. Sifat kemagnetan yang dikaji adalah magnetisasi saturasi, magnetisasi remanen, dan besarnya koersivitas pada nanopartikel CuFe2O4. 1.5 Manfaat penelitian Penelitian ini diharapkan dapat memberikan manfaat sebagai berikut: 1. Memberikan langkah awal dalam mengembangkan aplikasi nanopartikel CuFe2O4 dalam dunia medis. 2. Memberikan kontribusi ilmu pengetahuan terutama di Indonesia dengan riset pada bidang nanopartikel magnetik yang masih jarang. 3. Merupakan langkah awal untuk mengemabangkan riset pada nanopartikel magnetik dengan harapan nantinya dapat dinikmati manfaatnya oleh masyarakat.
6 1.6 Sistematika penulisan Penulisan tesis ini dibagi menjadi 6 Bab: bab I pendahuluan, bab II tinjauan pustaka, bab III dasar teori, bab IV metode penelitian, BAB V hasil dan pembahasan, dan bab VI kesimpulan. BAB I menunjukkan latar belakang masalah yang mendasari penelitian ini, serta memberikan lingkup penelitian yang akan dilakukan supaya dapat menjawab perumusan dan tujuan masalah. BAB II menunjukkan hasil-hasil penelitian terkait metode sintesis, karakterisasi, serta aplikasi nanopartikel CuFe2O4. BAB III merupakan dasar teori berkaitan dengan struktur kristal, serta sifat kemagnetan yang dimiliki material bulk dan nanopartikel CuFe2O4. BAB IV merupakan metode penelitian yang dilakukan mulai dari sintesis nanopartikel CuFe2O4, enkapsulasinya menggunakan PEG-4000 dan silika, tahap karakterisasinya, sampai dengan cara menyajikan data hasil karakterisasi. BAB V adalah pembahasan hasil enkapsulasi CuFe2O4 oleh PEG-4000 dan silika. BAB VI berisi kesimpulan terhadap penelitian yang dilakukan serta saran untuk penelitian yang akan dilakukan terkait nanopartikel CuFe2O4. DAFTAR PUSTAKA berisi seluruh pustaka yang diacu pada penelitian. LAMPIRAN berisi data-data yang diperoleh melalui penelitian dan informasi penting lainnya.