Struktur Kristal Logam dan Keramik 1. Selayang Pandang Muhammad Fauzi Mustamin [*] Jurusan Fisika, Universitas Hasanuddin Maret 2015 Material padat dapat diklasifikasi berdasarkan karakteristik atom atau ion penyusunnya. Secara umum struktrunya terbagi menjadi material kristal dan non-kristal. Material kristal direpresentasikan dengan susunan periodik atom-atom penyusunnya yang memiliki sifat simetri. Adapun material non-kristal, juga biasa disebut material amorphous, memiliki bentuk yang tidak simetri sehingga strukturnya terbilang kompkels. Sementara ditinjau dari tingkat energi, material kristal lebih tinggi dibandingkan dengan material non-kristal. Semua logam, keramik dan beberapa polimer merupakan golongan material kristal. 2. Struktur Kristal Logam Material logam memiliki struktur atom yang cukup rapat. Biasanya hanya terdiri dari satu elemen penyusun sehingga jari-jari atomny seragam. Ikatan logam dari setiap partikel penyusunnya bersifat nondirectional (bersifat sama disetiap arah). Hal ini berarti terdapat pembatasan minimum dari setiap atom tetangganya, berimplikasi pada jumlah dan kerapatan paket atom tetangga yang relatif besar. Secara umum, struktur kristal dari logam yang sering dijumpai antara lain simple-cubic (SC), body-centered cubic (BCC), face-centered cubic (FCC) dan hexagonal closed-packed (HCP). 2.1 Simple-Cubic Simple-cubic terdiri dari delapan atom yang berada pada setiap sudut dari kubus. Struktur ini mengakibatkan simple-cubic memiliki bilangan koordinasi enam. Dalam satuan sel, jari-jari atomnya : R = 0.5a Gmbar 1 Simple Cubic [*] Email : muhammadfauzim@gmail.com 1
2.2 Body-Centered Cubic Struktur kristal ini memiliki atom yang berada pada delapan sudut dari kubus serta satu kubus dibagian tengahnya. Dari strukturnya, BCC memiliki delapan ilangan koordinasi dan jari-jari atom memenuhi persamaan : R = 3 4 a 2.3 Face-Centered Cubic Sturktur kristal ini memiliki delapan atom disetiap sudut kubus dengan empat atom dimasingmasing titik tengah permukaan kubus. Struktur ini mengakibatkan bilangan koordinasinya dua belas. Sementara jari-jari atomnya memenuhi persamaan : R = 2 4 a Gambar 2 : Body Centered Cubic 2.4 Hexagonal Close-Packed Gambar 3 Face Centered Cubic Tidak semua logam memiliki simetri berupa kubus. Salah satu struktur krsital yang sering dijumpai berbentuk heksagonal. Bagian atas dan bawah dari satuan selnya terdiri dari enam atom dan dikelilingi oleh satu atom pada pusatnya. Bidang lain pada heksagonal menyediakan tiga atom lain. Sehingga total atom yang didapatkan adalah tujuh belas. Dari struktur tersebut, bilangan koordinasinya 12 dengan perbandingan tinggi dan sisi permukaan : Gambar 4 Hexagonal Close Packed c a = 1.633 [*] Email : muhammadfauzim@gmail.com 2
Dari struktur tersebut, dapat dicari faktor paket atom (banyaknya volume dalam struktur yang ditempati partikel penyusun) : APF = Volume atom dalam satuan sel Volume satuan sel serta rapat muatan dari suatu material, secara teoritis memenuhi persamaan : ρ = na V c N a n = jumlah atom dalam satuan sel A = berat atom V c = Volume atom dala satuan sel N a = Bilangan Avogadro (6.022 10 23 atom/mol) 3. Struktur Kristal Keramik Sesuai definisi, material keramik paling tidak terbentuk dari dua elemen sehingga strukturnya lebih kompleks daripada material logam. Elemennya berupa logam dan non-logam, sehingga ikatan antar atomnya dapat berupa ikatan ionik total atau juga terdiri dari ikatan kovalen. Ion logam atau kation bermuatan positif, sementara ion non-logam bermuatan negatif atau anion. Derajat ionik ditentukan oleh golongan dari atom penyusun material keramik. Gambar 5 Tabel Periodik dengan Contoh CaF2 dan SiC [*] Email : muhammadfauzim@gmail.com 3
Terdapat dua karakteristik dari ion penyusun struktur kristal keramik : ukuran relatif dari kation dan anion dan besar muatan listrik setiap komponen. 3.1 Ukuran Kation dan Anion Struktur kristal ditentukan oleh nilai maksimum dari anion yang dapat mengelilingi kation. Hal ini dikarenakan ukuran kation yang lebih kecil daripada anion. Sehingga ukuran strukturnya akan meningkat saat ukuran kation juga meningkat. Secara geometri dapat diekspresikan dengan perbandingan jari-jari kation r c dengan jari-jari anion r a, r c /r a. Gambar 6 (a) tidak stabil karena gaya tolak antar anion. Gambar 6 (b) berada pada titik kritis stabil, sementara gambar 6 (c) merupakan struktur stabil akibat gaya tarik yang sama antara kation dan anion. Gambar 6 Stabilitas ion penyusun keramik Gambar 7 menunjukkan struktur kristal berdasarkan perbandinan r c /r a. Gambar 7 Bentuk Geometri berdasarkan Rasio Jari-jari Kation dan Anion [*] Email : muhammadfauzim@gmail.com 4
3.2 Besar Muatan Setiap kristal haruslah netral atau dengan kata lain jumlah muatan postif dan muatan negatif seimbang. Hal ini dapat dilihat dari rumus empiris dari material keramik tersebut. Misalnya pada CaF2, setiap satu kation Ca 2+ harus diseimbangkan dengan dua anion F -. Dalam banyak material, koordinasi tetrahedral yang diselidiki meskipun dengan perbandingan jari-jari dapat memprediksi bentuk strukturnya. Hal tersebut digunakan saat terdapat ikatan kovalen pada material, yakni saat kation dengan pangkat polarisasi tinggi (Cu 2+, Al 3+ ) berikatan dengan anion yang dapat dipolarisasi (I -, S 2- ), serta untuk atom dengan hibridisasi di kulit sp 3 seperti Si, C, dan Ge. Pada material keramik, perhitungan kerapatannya memenuhi persamaan : ρ = n ( A c + A A ) V C N A n = jumlah satuan formula / satuan sel A c = jumlah semua berat kation dalam satuan formula A A = jumlah semua berat anion dalam satuan formula V c = Volume atom dala satuan sel N a = Bilangan Avogadro (6.022 10 23 atom/mol) [*] Email : muhammadfauzim@gmail.com 5