BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Hasil-hasil penelitian bidang nanoteknologi telah diaplikasikan diberbagai bidang kehidupan, seperti industri, teknologi informasi, lingkungan, pertanian dan kesehatan. Nanoteknologi adalah ilmu dan rekayasa dalam penciptaan material, struktur fungsional, maupun piranti dalam skala nanometer (Abdullah, 2009). Material dalam ukuran nano (nanomaterial) memiliki sifat kimia dan fisika yang unik jika dibandingkan dengan material berukuran bulk (material berukuran besar). Beberapa keunikan material berukuran nano adalah ukuran partikel yang seragam, ukuran partikel yang bisa dikontrol, bentuk struktur kristal yang dapat dikontrol sesuai dengan sifat-sifat yang ingin dimunculkan oleh nanomaterial (Hasany dkk, 2013). Salah satu contoh nanomaterial yang diminati para peneliti adalah nanopartikel magnetik karena memiliki sifat-sifat unik. Nanopartikel magnetik telah dapat diaplikasikan sebagai ferrofluid, katalis, drug delivery agent, magnetik resonance imaging (MRI), dan media penyimpan data (Lu dkk, 2007). Salah satu jenis nanopartikel magnetik yang banyak diteliti adalah nanopartikel berbasis ferit. Nanopartikel ferit umumnya memiliki rumus MFe 2 O 4, dimana M adalah kation divalen dari unsur transisi 3d seperti Zn 2+, Co 2+, Fe 2+, Ni 2+, Cu 2+ atau Mn 2+. Nanopartikel magnetik ZnFe 2 O 4 memiliki sifat unik seperti stabilitas kimia dan suhu serta kebergantungan ukuran partikel terhadap sifat magnetik, ZnFe 2 O 4 berstruktur spinel normal (Bushcow dalam Shahraki dkk, 2010). Nanopartikel ZnFe 2 O 4 pada suhu 20 o C-80 o C dapat menunjukkan sifat superparamagnetik dengan ukuran kristalit 5-10 nm (Shahraki dkk, 2012). Nanopartikel MnFe 2 O 4 memiliki struktur spinel invers, pada suhu ruang dapat menunjukkan sifat superparamagnetik dengan ukuran kristalit 9 nm (Muslim, 2012). Manganese Zinc Ferrite (MnZnFe 2 O 4 ) adalah jenis nanopartikel berbasis zink ferit yang memiliki rumus [ ] dengan M = Cu, Mn, Ni atau Mg (Buschow dan Boer, 2003). Zink ferit digunakan dalam kombinasi ferit untuk 1
2 mengurangi momen magnet pada site tetrahedral, yang akan meningkatkan magnetisasi (Makovec dkk, 2009). Kombinasi antara ZnFe 2 O 4 dan MnFe 2 O 4 dengan komposisi yang sama yaitu 0,5 mol Mn 2+ dan Zn 2+ terbentuk Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4. Struktur spinel Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 berupa struktur spinel campuran (mixed spinel). Material magnetik Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 termasuk kategori soft ferit yang memiliki keunggulan yaitu permeabilitas magnetik awal tinggi, magnetisasi saturasi tinggi, resistivitas listrik tinggi dan kemagnetannya tidak cepat hilang (Hu dkk, 2010). Berdasarkan keunggulan tersebut, Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 berpotensi untuk aplikasi sebagai induktor, transformator, penyimpanan data, magnetic amplifier (Hu dkk, 2010), Hyperthermia (Hejase dkk, 2012; Zhang dan Zhang, 2009), dan ferrofluid (Arulmurugan dkk, 2006). Dari hasil penelitian, bahwa Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 memiliki struktur spinel yang lebih kristalin dibandingkan dengan jumlah komposisi lainnya (Arulmurugan dkk, 2006; Irfan dkk, 2013) dan magnetisasi saturasinya lebih besar dibanding dengan MnFe 2 O 4 dan ZnFe 2 O 4 (Deraz dan Alarifi, 2012). Hal ini sebagai dasar Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 dipilih dengan tujuan untuk memperoleh sifat magnetik yang lebih optimal. Pada suhu ruang, nanopartikel Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 dapat menunjukkan sifat superparamagnetik (Desai dkk, 2009) yang sangat cocok diaplikasikan pada hyperthermia (Zhang dkk, 2009). Frenkel dan Dorfman (Dalam Shen, 1994) menjelaskan bahwa nanopartikel magnetik yang bersifat superparamagnetik dapat muncul dari material ferimagnetik atau feromagnetik yang memiliki domain tunggal pada ukuran lebih kecil dari ukuran kritisnya. Keunikan yang dimiliki nanopartikel magnetik adalah sifat-sifat magnetik sangat dipengaruhi oleh ukuran partikel dapat memunculkan sifat superparamagnetik pada suhu ruang, memiliki magnetisasi saturasi yang tinggi dan suseptibilitas magnetik yang lebih tinggi dari pada material berukuran bulk (Hasany dkk, 2013). Sifat magnetik nanopartikel ditentukan oleh banyak faktor, diantaranya adalah komposisi kimia, metode preparasi, ukuran partikel, morfologi nanopartikel. Perubahan ukuran partikel dan struktur kristal nanopartikel akan mempengaruhi perubahan sifat magnetik material (Gubin, 2009; Houshiar dkk, 2014). Oleh karena itu, pengontrolan terhadap distribusi ukuran partikel sangat diperlukan. Salah satu cara mengontrol ukuran partikel adalah dengan memilih
3 metode sintesis yang tepat, jenis prekursor, konsentrasi prekursor, agen kopresipitan, dan penambahan zat aditif seperti HCl. Nanopartikel Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 telah disintesis dengan beragam metode, seperti combustion (Deraz dan Alarifi, 2012; Hu dkk, 2010) adalah proses sintesis pembakaran dengan menggunakan senyawa acetat dan asam nitrat sebagai bahan combustion, kopresipitasi hidrotermal (Desai dkk, 2009) berupa metode modifikasi kopresipitasi dengan hidrotermal adalah endapan Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 yang diperoleh dari proses kopresipitasi ditransfer ke dalam autoclaves dengan tekanan 15 psi/inch 3 dan suhu 378±5K. Selanjutnya metode sintesis dengan proses kimia mekanik (Isfahani dkk, 2009) adalah proses penggilingan dengan pencampuran nanopartikel MnFe 2 O 4 dengan ZnFe 2 O 4, dan spray pyrolysis (Maria, 2009) ialah berdasarkan penyemprotan slury ferit di dalam tabung evaporating dengan suhu tinggi. Oleh karena itu metode tersebut membutuhkan biaya lebih mahal dan alat mekanik tambahan. Dibanding dengan metode tersebut, metode kopresipitasi relatif sederhana dalam proses sintesis, waktu sintesis cepat, biaya murah, dapat menghasilkan nanopartikel dengan tingkat kemurnian yang baik, tidak membutuhkan tambahan alat mekanik serta dapat mengontrol ukuran partikel (Mathur dkk, 2008; Irfan dkk, 2013). Dalam metode kopresipitasi, parameter sintesis seperti ph, suhu dan waktu sintesis memiliki peran penting untuk mengontrol ukuran partikel (Desai dkk, 2009). Ukuran partikel Mn 0,4 Zn 0,6 Fe 2 O 4 meningkat dengan suhu sintering dinaikkan yang mengakibatkan magnetisasi meningkat. Hal ini menunjukkan bahwa sifat magnetik bergantung pada ukuran partikel (Mathur dkk, 2008). Dengan demikian ukuran partikel sebagai salah satu parameter yang penting untuk menentukan sifat magnetik ferit. Beberapa penelitian yang fokus mensintesis nanopartikel Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 dengan metode kopresipitasi antara lain; Desai, dkk (2009) dengan menambahkan perlakuan hidrotermal, menghasilkan nanopartikel berperilaku superparamagnetik pada suhu 303 K dengan ukuran partikel yang dikontrol dari 54-135 ; Irfan, dkk (2013) dengan variasi suhu sintesis 65 o C, 75 o C, 95 o C diperoleh ukuran partikel yang variatif. Berbeda hal dengan metode kopresipitasi; Juseyphus, dkk (2006)
4 mensintesis nanopartikel Mn 0,67 Zn 0,33 Fe 2 O 4 dengan metode oksidasi, ukuran partikel berkurang dengan bertambahnya konsentrasi oksidan KNO 3 karena semakin besar konsentrasi KNO 3 maka meningkatkan laju oksidasi pada tahap pembentukan nukleasi. Batas kritis ukuran partikel pada superparamagnetik yaitu 25 nm dengan suhu 293 K. Pada penelitian Desai, dkk (2009) dan Irfan, dkk (2013) nanopartikel Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 disintesis dengan suhu T ruang (30 o C), 65 o C, 75 o C dan 95 o C. Nanopartikel disintesis dalam T ruang dikaji sifat kemagnetannya, sedangkan pada suhu 65 o C, 75 o C dan 95 o C hanya dikaji ukuran partikelnya saja. Sehingga dengan demikian, fenomena sifat kemagnetan pada suhu yang lebih tinggi dari T ruang perlu dikaji lebih lanjut. Selain itu, kajian terkait pengaruh kopresipitan terhadap ukuran kristalit dan sifat kemagnetan nanopartikel Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 belum banyak dikerjakan. Dalam mensintesis nanopartikel melalui metode kopresipitasi dibutuhkan ph yang tinggi, yang dapat dilakukan dengan penambahan NaOH. Selanjutnya, dalam penelitian ini dikaji pengaruh suhu sintesis dan konsentrasi kopresipitan (NaOH) terhadap struktur kristal, ukuran partikel dan sifat kemagnetan nanopartikel Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 yang disintesis dengan metode kopresipitasi. Fenomena fisika terkait struktur kristal, ukuran butir, gugus fungsi dan sifat kemagnetan nanopartikel dibahas berdasarkan data hasil karakterisasi X- Ray Diffractometer (XRD), Transmission Electron Microscopy (TEM), Fourier Transform Infra-red (FTIR), serta pengukuran dengan Vibrating Sample magnetometer (VSM). 1.2 Perumusan Masalah Berdasarkan latar belakang yang telah dipaparkan, maka rumusan masalah dalam penelitian ini adalah 1. Bagaimana proses sintesis nanopartikel Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 dengan metode kopresipitasi?
5 2. Bagaimana pengaruh parameter sintesis (konsentrasi NaOH dan suhu sintesis) terhadap struktur kristal, ukuran kristalit nanopartikel Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 serta kebergantungan sifat kemagnetan terhadap ukuran kristalit dan struktur kristalnya? 1.3 Batasan Masalah Pembahasan dalam penelitian ini dibatasi pada pengaruh perubahan parameter sintesis (konsentrasi NaOH dan suhu sintesis) terhadap ukuran kristalit, struktur kristal dan sifat magnetik nanopartikel Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 yang disintesis dengan metode kopresipitasi. 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah 1. Mendeskripsikan proses sintesis dengan metode kopresipitasi sehingga diperoleh nanopartikel Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4. 2. Menganalisis pengaruh parameter sintesis (konsentrasi NaOH dan suhu sintesis) terhadap struktur kristal, ukuran kristalit nanopartikel Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 serta kebergantungan sifat kemagnetan terhadap ukuran kristalit dan struktur kristalnya. 1.5 Manfaat Penelitian Penelitian ini diharapkan dapat bermanfaat 1. Memberikan informasi mengenai ukuran kristalit dan sifat kemagnetan nanopartikel Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4 kepada peneliti selanjutnya, 2. Dapat menjadi rujukan dalam penelitian selanjutnya, dalam hal pengembangan sintesis nanopartikel Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4. 1.6 Sistematika Penulisan Penulisan tesis ini dibagi menjadi enam bab, yaitu pendahuluan, tinjauan pustaka, dasar teori, dan metode penelitian, hasil dan pembahasan, kesimpulan dan saran, lampiran
6 Bab I Pendahuluan memaparkan mengenai latar belakang dilakukan kajian mengenai sintesis nanopartikel Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4, rumusan masalah, batasan masalah, tujuan penelitian, manfaat penelitian, dan sistematika penulisan. Bab II Tinjauan pustaka mendeskripsikan hasil-hasil penelitian relevan mengenai sintesis dan sifat magnetik nanopartikel Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4, berdasarkan parameter konsentrasi kopresipitan dan suhu sintesis. Bab III Landasan teori memaparkan teori dasar pijakan penelitian, yaitu fenomena kemagnetan pada material, konsep domain magnet dan hysterisis loop, sifat feromagnetik, ferimagnetik, superparamagnetik material, struktur kristal nanopartikel Mn 0,5 Zn 0,5 Fe 2 O 4, metode kopresipitasi, dan prinsip dasar karakterisasi material XRD, TEM, FTIR, serta pengukuran dengan VSM. Bab IV Metode penelitian memaparkan tentang jenis alat dan bahan penelitian, prosedur sintesis nanopartikel, metode karakterisasi material, prosedur analisis data hasil karakterisasi. Bab V Hasil dan Pembahasan memaparkan hasil yang diperoleh dari penelitian dan pembahasannya. Bab VI Kesimpulan dan Saran memaparkan kesimpulan dari hasil penelitian dan saran penelian lebih lanjut. Daftar pustaka mencantumkan seluruh pustaka yang diacu yang berhubungan dengan penelitian, baik data dan dokumentasi penelitian.