BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang Masalah Perkembangan nanoteknologi telah mendapat perhatian besar dari para ilmuwan dan peneliti. Nanoteknologi secara umum dapat didefinisikan sebagai teknologi perancangan, pembuatan, dan aplikasi struktur material yang berdimensi nanometer. Nanoteknologi berhubungan dengan struktur dan partikel material berdimensi kecil dalam skala nanometer. Menurut Abdullah (2009), nanoteknologi adalah ilmu dan rekayasa dalam penciptaan material dan struktur fungsional dalam skala nanometer. Jadi nanoteknologi tidak hanya sebatas bagaimana cara menghasilkan material ataupun partikel yang berukuran nanometer, melainkan memiliki pengertian yang lebih luas termasuk bagaimana cara memproduksi serta mengetahui kegunaan sifat baru yang muncul dari nanomaterial yang telah dibuat. Penelitian tentang nanoteknologi cukup mendapat perhatian dari para ilmuwan dan engineer, beberapa diantaranya seperti nanomaterial, nanopartikel, nanokluster, nanokoloid dan lain sebagainya. Nanopartikel memiliki karakteristik yang lebih unggul dalam sifat fisika dan kimia daripada bentuk kasar (bulk). Penyebab utama perubahan sifat fisika dan kimia dari nanopartikel adalah meningkatnya fraksi permukaan-permukaan atom karena berkurangnya ukuran partikel. Contoh material nanopartikel diantaranya adalah nanopartikel emas, nanopartikel magnetik, dan nanopartikel silika. Nanopartikel magnetik memiliki sifat fisik, kimia, mekanik, magnetik, dan optik unik yang tidak dimiliki oleh material lain. Nanopartikel juga dapat berkonjugasi dengan molekul dan berinteraksi pada level molekul dan sel, sehingga nanopartikel dapat digunakan untuk meningkatkan sensitifitas dalam pendeteksian biomolekul (Abdullah, 2009). Selain itu, struktur nanopartikel juga memiliki potensi yang besar dalam aplikasi rekayasa material, biomedis, elektronik, optik, magnetik, penyimpanan data dan elektrokimia. 1
2 Nanopartikel magnetik telah banyak digunakan di bidang industri seperti tinta magnetik, media pencatat magnetik, juga pada bidang biomedis seperti media kontras Magnetik Resonance Imaging (MRI), bahan diagnosis dan terapi kanker (Charles, 1993). Penggunaan nanopartikel magnetik di bidang biomedis biasanya menuntut sifat superparamagnetik dan terdispersi atau membentuk koloid stabil dalam air berlingkungan ph netral dan garam fisiologis. Kestabilan nanopartikel magnetik didalam air bergantung pada beberapa faktor diantaranya ukuran, muatan, dan kimia permukaan. Semakin kecil ukuran partikel, pengaruh gaya grafitasi semakin dapat diabaikan. Sedangkan peningkatan muatan dan kimia permukaan memungkinkan adanya gaya tolak menolak antar partikel sehingga partikel dapat stabil terdispersi dalam air. Demikian juga sifat superparamagnetik akan dapat dicapai bila ukuran nanopartikel magnetik semakin kecil yang mengakibatkan semakin kecil pula interaksi antar partikel. Untuk tujuan tersebut pembuatan nanopartikel magnetik dan pelapisan dengan polimer merupakan cara yang efektif dan telah mulai banyak dikaji.tuntutan lain dalam bidang biomedis terutama untuk penggunaan secara in vivo adalah sifat biokompatibilitas dan toksisitas, yang dipengaruhi oleh sifat dasar nanopartikel magnetik dan bahan pelapisnya. Saat ini, oksida besi dalam bentuk magnetite (Fe3O4) dan maghemite (γ- Fe2O3) merupakan partikel yang paling umum digunakan dalam bidang biomedikal. Maka upaya pelapisan nanopartikel magnetik dengan polimer merupakan hal yang sangat menarik untuk dilakukan (Sudaryanto dkk, 2007). Berbagai metode telah dikembangkan dalam proses sintesis nanopartikel magnetik diantara yaitu metode kopresipitasi, thermal decomposition, mikroemulsi, hidrotermal, sol gel, sonokimia, poliol, dan metode lainnya. Diantara metode tersebut, metode yang cukup efektif dan relative sederhana dilakukan yaitu 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 lain metode ini adalah prosesnya pada suhu kamar dan mudah mengontrol ukuran partikel sehingga waktu yang dibutuhkan relative lebih singkat (Fernandez, 2011).
3 Belakangan ini telah banyak diteliti mengenai nanopartikel magnetik baik secara proses ilmiah maupun potensinya seperti pada penyimpanan data, aktuator dan sensor. Sifat lain yang istimewa dari nanopartikel magnetik yaitu bersifat superparamagnetik. Superparamagnetik menggambarkan keadaan dari partikel dengan domain magnetik tunggal yang menghasilkan supermoment dimana energi termal cukup untuk melampaui energi barrier. Selanjutnya supermoment akan mengalami banyak rotasi sehingga menghasilkan momen magnet rata-rata bernilai nol, yang mengakibatkan tidak ada interaksi dan aglomerasi antar partikel. Oleh karena itu, nanopartikel magnetik memiliki dispersibilitas yang baik dan kemudahannya untuk dikontrol dengan medan magnet luar. Karakteristik seperti itulah yang membuat nanopartikel magnetik sangat potensial untuk diaplikasikan dalam bidang biomedis dan bioseparasi (Chung dkk, 2006). Sifat superparamagetik merupakan sifat yang muncul pada nanomaterial berorde satu domain magnet, sehingga konsekuensinya partikel tersebut akan sangat reaktif terhadap medan magnet luar. Namun jika medan magnet luar dihilangkan maka sifatnya akan mirip dengan material paramagnet. Fenomena ini akan meningkat seiring dengan ukuran dan efek permukaan yang mendominasi sifat nanopartikel magnetik tersebut (Wu dkk, 2010). Berbagai macam nanopartikel magnetik sudah dikaji dan dikembangkan, salah satunya yaitu nanopartikel cobalt ferrite (CoFe2O4). Selain berpotensi memiliki sifat superparamagnetik, sifat khusus yang membedakan nanopartikel CoFe2O4 dengan nanopartikel magnetik lainnya yaitu nanopartikel CoFe2O4 memiliki nilai konstanta anisotropi yang lebih tinggi dibandingkan magnetite (Fe3O4) dan maghemite (γ- Fe2O3) (Del Castillo dkk, 2005). Menurut Ahn dkk (2003) intensitas sifat superparamagnetik nanopartikel CoFe2O4 terlihat meningkat seiring dengan semakin kecil ukuran partikelnya, sementara suhu curie (Tc) akan menigkat secara linear seiring dengan kenaikan ukuran partikelnya. Dalam penelitian ini, akan dilakukan penelitian mengenai sintesis nanopartikel CoFe2O4 dengan metode kopresipitasi dan melakukan proses fungsionalisasi menggunakan polietilena glikol 4000 (PEG-4000). Metode kopresipitasi dipilih karena prosedurnya yang relative sederhana dan
4 menghasilkan distribusi ukuran butir yang relatif sempit. Selain itu metode ini juga dapat dilakukan pada kondisi lingkungan normal (Lu dkk, 2007). Pada proses fungsionalisasi nanopartikel magnetik dibutuhkan modifikasi yang efisien dan efektif. Salah satu zat yang dapat digunakan untuk membentuk dan sekaligus mengontrol ukuran dan struktur pori dari partikel adalah polietilen glikol (PEG). Dalam hal ini PEG dapat berfungsi sebagai template, yang membungkus partikel sehingga tidak berbentuk agregat lebih lanjut, dikarenakan PEG menempel pada permukaan partikel dan menutupi ion positif yang bersangkutan untuk bergabung dan membesar. Sehingga pada akhirnya akan diperoleh partikel dalam bentuk bulatan yang seragam (Perdana dkk, 2011). Tujuan yang lain dari penggunaan PEG-4000 yaitu untuk menambah dispersibilitas, biokompatibel, dan stabilitas kimia pada nanopartikel magnetik tersebut. Penelitian mengenai sintesis nanopartikel CoFe2O4 dengan metode kopresipitasi dan proses fungsionalisasi menggunakan PEG-4000 ini akan dilakukan dilaboraturium Fisika Material dan Instrumentasi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Universitas Gadjah Mada (UGM). Pada penelitian kelompok sebelumnya, Arief (2013) telah berhasil melakukan penelitian dengan mensintesis nanopartikel CoFe2O4 dengan metode kopresipitasi dan Rizki (2013) telah berhasil melakukan modifikasi permukaan nanopartikel Fe3O4 dengan PEG- 4000. Penelitian kelompok kami mencoba melakukan penelitian nanopartikel CoFe2O4 dengan memodifikasi permukaannya menggunakan PEG-4000 yang bervariasi konsentrasinya. Diharapkan hasil dari penelitian ini dapat memperoleh ukuran partikel yang seragam namun tidak menghilangkan sifat kemagnetan lainnya sehingga dapat digunakan sebagai alternative bahan superparamagnetik. Sehingga pada penelitian ini meliputi sintesis nanopartikel CoFe2O4 menggunakan metode kopresipitasi, proses fungsionalisasi dengan variasi konsentrasi PEG-4000 dan mempelajari karakterisasi struktur kristal, sifat kemagnetan, serta gugus fungsi nanopartikel CoFe2O4 dan CoFe2O4 + PEG-4000 dengan menggunakan X- Ray Diffraction (XRD), Transmission Electron Microscopy (TEM), Vibrating Sample Magnetometry (VSM), dan Fourier Transform Infra-Red Spectroscopy (FTIR).
5 I.2 Rumusan Masalah Adapun rumusan masalah pada penelitian ini adalah sebagai berikut : 1. Bagaimana melakukan sintesis nanopartikel CoFe2O4 dengan metode kopresipitasi dan melakukan proses fungsionalisasi nanopartikel CoFe2O4 dengan PEG-4000 2. Bagaimana struktur kristal nanopartikel CoFe2O4 sebelum dan setelah difungsionalisasi dengan PEG-4000 3. Bagaimana mekanisme bonding gugus fungsi (pengikatan) antar atom setelah difungsionalisasi dengan beberapa variasi konsentrasi PEG- 4000 pada nanopartikel CoFe2O4 I.3 Batasan Masalah Batasan masalah dalam penelitian ini adalah menekankan pada kajian sintesis nanopartikel CoFe2O4 dengan metode kopresipitasi, fungsionalisasi menggunakan PEG-4000 dengan variasi konsentrasi yaitu 1:1; 2:1; 3:1; 1:2; 1:3; dan 1:4, struktur kristal, sifat kemagnetan dan gugus fungsi nanopartikel CoFe2O4 dengan menggunakan X-Ray Diffraction (XRD), Transmission Electron Microscopy (TEM), Vibrating Sample Magnetometry (VSM), dan Fourier Transform Infra-Red Spectroscopy (FTIR). I.4 Tujuan Penelitian Adapun tujuan dari penelitian ini adalah : 1. Melakukan sintesis nanopartikel CoFe2O4 dengan metode kopresipitasi dan menvariasi presentasi PEG-4000 dalam proses fungsionalisasi. 2. Menentukan struktur kristal nanopartikel CoFe2O4 sebelum dan setelah pemberian PEG-4000. 3. Mempelajari mekanisme bonding antar atom setelah pemberian PEG-4000 yang bervariasi konsentrasinya pada nanopartikel CoFe2O4.
6 I.5 Manfaat Penelitian Hasil penelitian ini diharapkan dapat memberikan informasi terkait sifat magnet pada nanopartikel CoFe2O4 yang dicoating dengan PEG-4000, seperti stuktur kristal dan gugus fungsinya. Sehingga hasil tersebut dapat dijadikan sebagai acuan bagi peneliti yang akan melanjutkan penelitian dibidang nanopartikel magnetik, termasuk juga untuk aplikasi teknologi elektronik maupun biomedis. Hasil analisa penelitian ini juga ditargetkan dapat menghasilkan jurnal nasional dan bisa diseminarkan dalam konferensi ilmiah baik dalam skala nasional maupun internasional. I.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 sifat kemagnetan nanopartikel CoFe2O4 beserta 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 CoFe2O4 dan fungsionalisasi nanopartikel dengan PEG. Bab III berisi dasar teori yang berkaitan dengan terminology sifat kemagnetan, jenis-jenis sifat magnetik pada material, nanopartikel magnetik dan sifat superparamagnetik, metode sintesis dengan kopresipitasi, sifat-sifat nanopartikel CoFe2O4, PEG, dan karakterisasi material. Ban IV menjelaskan metode penelitian yang mencakup alat dan bahan yang digunakan dalam fabrikasi nanopartikel CoFe2O4, langkah-langkah kerja yang dilakukan dalam penelitian serta teknik pengolahan data. Bab V menunjukan hasil yang diperoleh dari setiap proses penelitian dan pembahasan.
7 Bab VI menunjukan kesimpulan dari hasil eksperimen dan saran untuk penelitian selanjutnya. Daftar pustaka mencantumkan seluruh pustaka yang diacu dan lampiran berisi data-data yang diperoleh dalam penelitian, dokumentasi dan publikasi yang telah disajikan dalam jurnal.